Hierarchical Controller for Obstacle Avoidance Task in WMRs Considering Actuators and Power Electronics Subsystems: When Artificial Potential Fields Approach is Used
Creators
- 1. Instituto Politécnico Nacional
- 2. Instituto Tecnológico Superior de Xalapa
- 3. National Technological Institute of Mexico
- 4. Benemérita Universidad Autónoma de Puebla
Description
Through the development of a three-level hierarchical controller, this study proposes a solution to the obstacle avoidance task in wheeled mobile robots (WMRs). The proposed controller takes into consideration the dynamics of the three subsystems that typically compose a WMR (mechanical structure, actuators, and power electronics). At the high level, a control based on input-output linearization that uses the artificial potential fields technique is used and a Lyapunov-alike function is proposed for stability analysis purposes. At the medium level, two controls based on differential flatness are employed and a Hurwitz-stable-type polynomial is defined with the aim of locate the poles on the left-hand-side of the complex plane. Finally, at the low level, two cascaded controls are implemented using sliding modes and PI control. The performance of the three-level hierarchical controller is evaluated through a co-simulation using Matlab-Simulink and PSpice software. The obtained results are assessed with a two-level controller that does not take into account the dynamics of the power stage. Such results demonstrate that both controllers accomplish the obstacle avoidance task when no kind of perturbations are considered. However, and unlike the two-level controller, the three-level hierarchical controller successfully achieves the obstacle avoidance task even when disturbances in some parameters of the system are introduced.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
من خلال تطوير وحدة تحكم هرمية من ثلاثة مستويات، تقترح هذه الدراسة حلاً لمهمة تجنب العوائق في الروبوتات المتنقلة ذات العجلات (WMRs). تأخذ وحدة التحكم المقترحة في الاعتبار ديناميكيات الأنظمة الفرعية الثلاثة التي تشكل عادةً WMR (الهيكل الميكانيكي والمشغلات وإلكترونيات الطاقة). على المستوى العالي، يتم استخدام عنصر تحكم يعتمد على خطية المدخلات والمخرجات التي تستخدم تقنية المجالات المحتملة الاصطناعية ويتم اقتراح وظيفة على غرار Lyapunov لأغراض تحليل الاستقرار. على المستوى المتوسط، يتم استخدام ضابطي تحكم يعتمدان على التسطيح التفاضلي ويتم تعريف متعدد الحدود من نوع هورويتز بهدف تحديد موقع القطبين على الجانب الأيسر من المستوى المعقد. أخيرًا، عند المستوى المنخفض، يتم تنفيذ اثنين من عناصر التحكم المتتالية باستخدام أوضاع الانزلاق والتحكم في PI. يتم تقييم أداء وحدة التحكم الهرمية ثلاثية المستويات من خلال المحاكاة المشتركة باستخدام برنامج Matlab - Simulink و PSpice. يتم تقييم النتائج التي تم الحصول عليها باستخدام وحدة تحكم من مستويين لا تأخذ في الاعتبار ديناميكيات مرحلة الطاقة. تُظهر هذه النتائج أن كلا المتحكمين ينجزان مهمة تجنب العوائق عندما لا يتم النظر في أي نوع من الاضطرابات. ومع ذلك، وعلى عكس وحدة التحكم ذات المستويين، فإن وحدة التحكم الهرمية ثلاثية المستويات تحقق بنجاح مهمة تجنب العوائق حتى عند إدخال اضطرابات في بعض معلمات النظام.Translated Description (French)
Grâce au développement d'un contrôleur hiérarchique à trois niveaux, cette étude propose une solution à la tâche d'évitement d'obstacles dans les robots mobiles à roues (WMR). Le contrôleur proposé prend en considération la dynamique des trois sous-systèmes qui composent typiquement un WMR (structure mécanique, actionneurs et électronique de puissance). Au niveau élevé, un contrôle basé sur la linéarisation d'entrée-sortie qui utilise la technique des champs de potentiel artificiels est utilisé et une fonction de type Lyapunov est proposée à des fins d'analyse de stabilité. Au niveau moyen, deux contrôles basés sur la planéité différentielle sont utilisés et un polynôme de type Hurwitz-stable est défini dans le but de localiser les pôles sur le côté gauche du plan complexe. Enfin, au niveau bas, deux contrôles en cascade sont mis en œuvre à l'aide de modes glissants et de contrôle PI. Les performances du contrôleur hiérarchique à trois niveaux sont évaluées par une co-simulation à l'aide des logiciels Matlab-Simulink et PSpice. Les résultats obtenus sont évalués avec un contrôleur à deux niveaux qui ne prend pas en compte la dynamique de l'étage de puissance. De tels résultats démontrent que les deux contrôleurs accomplissent la tâche d'évitement d'obstacles lorsqu'aucun type de perturbations n'est pris en compte. Cependant, et contrairement au contrôleur à deux niveaux, le contrôleur hiérarchique à trois niveaux réalise avec succès la tâche d'évitement d'obstacles même lorsque des perturbations dans certains paramètres du système sont introduites.Translated Description (Spanish)
A través del desarrollo de un controlador jerárquico de tres niveles, este estudio propone una solución a la tarea de evitación de obstáculos en robots móviles con ruedas (WMR). El controlador propuesto tiene en cuenta la dinámica de los tres subsistemas que normalmente componen un WMR (estructura mecánica, actuadores y electrónica de potencia). En el nivel alto, se utiliza un control basado en la linealización de entrada-salida que utiliza la técnica de campos de potencial artificial y se propone una función similar a Lyapunov para fines de análisis de estabilidad. A nivel medio, se emplean dos controles basados en la planicidad diferencial y se define un polinomio de tipo estable de Hurwitz con el objetivo de ubicar los polos en el lado izquierdo del plano complejo. Finalmente, en el nivel bajo, se implementan dos controles en cascada utilizando modos de deslizamiento y control PI. El rendimiento del controlador jerárquico de tres niveles se evalúa a través de una simulación conjunta utilizando el software Matlab-Simulink y PSpice. Los resultados obtenidos se evalúan con un controlador de dos niveles que no tiene en cuenta la dinámica de la etapa de potencia. Dichos resultados demuestran que ambos controladores realizan la tarea de evitar obstáculos cuando no se considera ningún tipo de perturbación. Sin embargo, y a diferencia del controlador de dos niveles, el controlador jerárquico de tres niveles logra con éxito la tarea de evitar obstáculos incluso cuando se introducen perturbaciones en algunos parámetros del sistema.Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- المراقب الهرمي لمهمة تجنب العوائق في WMRs مع الأخذ في الاعتبار المشغلات والأنظمة الفرعية لإلكترونيات الطاقة: عند استخدام نهج المجالات المحتملة الاصطناعية
- Translated title (French)
- Contrôleur hiérarchique pour la tâche d'évitement d'obstacles dans les WMR en tenant compte des actionneurs et des sous-systèmes d'électronique de puissance : lorsque l'approche des champs de potentiel artificiels est utilisée
- Translated title (Spanish)
- Controlador jerárquico para la tarea de evitación de obstáculos en WMR considerando actuadores y subsistemas de electrónica de potencia: cuando se utiliza el enfoque de campos de potencial artificial
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4391720796
- DOI
- 10.1016/j.prime.2024.100454
References
- https://openalex.org/W1608481154
- https://openalex.org/W1963926535
- https://openalex.org/W1974883505
- https://openalex.org/W1977734273
- https://openalex.org/W1989065913
- https://openalex.org/W1992410138
- https://openalex.org/W1999425052
- https://openalex.org/W2008369823
- https://openalex.org/W2030250960
- https://openalex.org/W2031436371
- https://openalex.org/W2042752297
- https://openalex.org/W2069522844
- https://openalex.org/W2069780287
- https://openalex.org/W2081020065
- https://openalex.org/W2089928347
- https://openalex.org/W2103120971
- https://openalex.org/W2110144538
- https://openalex.org/W2129564881
- https://openalex.org/W2143944569
- https://openalex.org/W2158334497
- https://openalex.org/W2165835293
- https://openalex.org/W2206428743
- https://openalex.org/W2221485456
- https://openalex.org/W2235553398
- https://openalex.org/W2286082179
- https://openalex.org/W2310392873
- https://openalex.org/W2341848647
- https://openalex.org/W2477170489
- https://openalex.org/W2485885770
- https://openalex.org/W2496791995
- https://openalex.org/W2592597155
- https://openalex.org/W2737529802
- https://openalex.org/W2774681009
- https://openalex.org/W2774796423
- https://openalex.org/W2790061769
- https://openalex.org/W2805946528
- https://openalex.org/W2807983991
- https://openalex.org/W2883548334
- https://openalex.org/W2884226817
- https://openalex.org/W2891700810
- https://openalex.org/W2900999516
- https://openalex.org/W2904312363
- https://openalex.org/W2916544653
- https://openalex.org/W2956001080
- https://openalex.org/W2998137241
- https://openalex.org/W3015217705
- https://openalex.org/W3026316399
- https://openalex.org/W3035982357
- https://openalex.org/W3080833149
- https://openalex.org/W3082937584
- https://openalex.org/W3100116083
- https://openalex.org/W3119295584
- https://openalex.org/W3119417375
- https://openalex.org/W3158638107
- https://openalex.org/W3163638304
- https://openalex.org/W3181843513
- https://openalex.org/W3184502348
- https://openalex.org/W3209718438
- https://openalex.org/W3217645262
- https://openalex.org/W4206973280
- https://openalex.org/W4212966538
- https://openalex.org/W4213209987
- https://openalex.org/W4225494969
- https://openalex.org/W4226156282
- https://openalex.org/W4229009137
- https://openalex.org/W4233179180
- https://openalex.org/W4246329541
- https://openalex.org/W4281395428
- https://openalex.org/W4281935804
- https://openalex.org/W4284975089
- https://openalex.org/W4285157563
- https://openalex.org/W4285419814
- https://openalex.org/W4285507547
- https://openalex.org/W4290591070
- https://openalex.org/W4293826728
- https://openalex.org/W4295977749
- https://openalex.org/W4297237616
- https://openalex.org/W4311564880
- https://openalex.org/W4313260306
- https://openalex.org/W4313887139
- https://openalex.org/W4381662590