Estudo sobre modelagem e controle com restrições de manipulador móvel não-holonômico planar

Abstract

Os manipuladores móveis são uma classe de robôs que desempenham um papel essencial na logística dos armazéns de produtos, explorando locais inacessíveis e perigosos, e muito mais. No entanto, não é uma tarefa fácil controlá-los ou navegá-los. Eles possuem singularidades e não-linearidades e, enquanto em movimento, devem evitar obstáculos e áreas restritas. Uma vez que os manipuladores móveis são sistemas não-lineares com operações complexas, a literatura explora vários controladores para mover e controlar esses sistemas. No entanto, poucos trabalhos tratam o controle com restrições para manipuladores móveis. Esta dissertação apresenta uma estratégia de controle com restrição de movimento conhecida como Explicit Reference Governor (ERG) para um manipulador móvel planar não-holonômico com dois graus de liberdade (2-DOF). Em contraste com outras soluções para o problema de controle com restrição, o ERG fornece uma solução de baixo custo computacional aplicada diretamente ao sistema já controlado, tornando-o interessante para robôs móveis cujos recursos computacionais e energéticos são limitados. O ERG gera uma nova referência a um sistema pré-estabilizado conduzido ao valor desejado, ao passo que respeita as restrições impostas. Para a aplicação do sistema proposto, é fundamental modelar e pré-estabilizar o manipulador móvel que, por simplicidade, é controlado no seu espaço de trabalho por Controle de Dinâmica Inversa mais compensação dinâmica. A eficácia da proposta é estudada e confirmada utilizando resultados de simulação, nos quais são consideradas as restrições de movimento posicional no espaço de trabalho do robô e restrições por singularidade conhecidas.

Abstract: Mobile manipulators are a class of robots that play an essential role in logistics in product warehouses, exploring inaccessible and hazardous locations, and much more. However, it is not an easy task to control or navigate them. They have singularities and nonlinearities. And while in motion, they must avoid obstacles and restricted areas. Since mobile manipulators are non-linear systems with complex operations, the literature explores several controllers for moving and controlling the system. However, few works address motion constraints. This dissertation presents a constrained control strategy known as Explicit Reference Governor (ERG) for a planar nonholonomic mobile manipulator with two degrees of freedom (2-DOF). In contrast to other solutions to the constrained control problem, the ERG provides a computationally low-cost solution applied directly to the already controlled system, making them interesting for mobile robotic systems whose computational and energy resources are limited. The ERG generates a new reference to a pre-stabilized system driven to the desired value while respecting the constraints. For the application of the proposed system, it is fundamental to model and pre-stabilize the mobile manipulator that, for simplicity, is controlled in its workspace by Reverse Dynamics Control plus dynamics compensation. The proposal's effectiveness is studied and confirmed using simulation results in which positional motion constraints in the robot's workspace and known singularity constraints of the system are considered.