Control synthesis for 4WS vehicle-robot model for traffic program motion

Dmitry Tatievskyi

doi:10.15587/2312-8372.2019.180504

Автор(и)

Dmitry Tatievskyi Запорізька державна інженерна академія, пр. Соборний, 226, м. Запоріжжя, Україна, 69006, Україна https://orcid.org/0000-0002-7841-9560

DOI:

https://doi.org/10.15587/2312-8372.2019.180504

Ключові слова:

автономний мобільний колісний робот, 4WS, 2WS, умова Акермана, закон управління, мехатрона система, кут бокового ковзання, кут нишпорення

Анотація

Об'єктом дослідження є автономний колісний мобільний робот моделі 4WS (Four Wheel Steering). Необхідність в таких дослідженнях продиктована обмеженнями застосування роботів моделі 2WS (Two Wheel Steering) для вирішення завдання досягнення множинних цілей, пов'язаних з недостатньою їх маневреністю і безпекою руху. Це і є одним із найпроблемніших місць даної моделі.

Таке завдання було успішно вирішено для досягнення одиночної цілі цією моделлю, включаючи рух реверсом для зчленованого екіпажу, проте характер траєкторії з множинними цілями робить таке завдання практично нерозв'язним. Для її вирішення успішно застосована конструкція автономного мобільного робота DDMR моделі. Переваги ж 4WS моделі в порівнянні з 2WS в сенсі підвищення маневреності привели до дослідження можливості її використання для вирішення цього завдання.

У цьому дослідженні реалізована можливість синтезу керованого руху автономного мобільного робота моделі 4WS по програмній траєкторії, що задається в явному, неявному, параметричної вигляді або законом зміни її кривизни. При цьому кут повороту передніх коліс є функцією кривизни програмної траєкторії, а задніх – функцією кута повороту передніх. Особливістю синтезованого управління для 4WS моделі є зв'язок з управлінням для моделі 2WS. Управління для цієї моделі синтезується спочатку і являє собою самостійну цінність. Таке управління є еталонним: за емпіричною залежністю визначається віртуальний радіус, для якого обчислюється таке управління для 4WS моделі, щоб вона рухалася по траєкторії моделі 2WS. Поворот задніх коліс (синфазно з передніми або в протифазі) розглядається при цьому у вигляді додаткового управління.

Важливою особливістю дослідження є розробка програмного забезпечення, яке дозволило виконати чисельне моделювання синтезованого управління в математичному пакеті Maple і наочну візуалізацію маневрів руху в системі Unity 3D.

Результати чисельного моделювання та їх візуалізація дозволяють зробити висновок про можливість застосування синтезованого закону для управління автономними мобільними роботами, що створюються за 4WS моделлю.

Біографія автора

Dmitry Tatievskyi, Запорізька державна інженерна академія, пр. Соборний, 226, м. Запоріжжя, Україна, 69006

Аспірант

Кафедра програмного забезпечення автоматизованих систем

Посилання

Tseng, P.-K., Hung, M.-H., Yu, P.-K., Chang, S.-W., Wang, T.-W. (2014). Implementation of an Autonomous Parking System in a Parking Lot. Available at: https://www.artc.org.tw/upfiles/ADUpload/knowledge/tw_knowledge_492799245.pdf
Schein, V. L. (2016). Optimal Vehicle Control of Four-Wheel Steering. Available at: http://www.science.smith.edu/~jcardell/StudentProjects/VSchein_capstone_final.pdf
Fijalkowski, B. T. (2011). Automotive Mechatronics: Operational and Practical Issues. Dordrecht: Springer, 523. doi: https://doi.org/10.1007/978-94-007-1183-9
Arvind, V. (2013). Optimizing the turning radius of a vehicle using symmetric four wheel steering system. International Journal of Scientific & Engineering Research, 4 (12), 2177–2184.
Micaelli, A., Samson, C. (1993). Trajectory tracking for unicycle-type and two-steering-wheels mobile robots. Available at: https://hal.inria.fr/inria-00074575/document
Verbitskiy, V. H., Bannikov, V. A., Cherviakova, E. V., Belevtsova, N. L. (2012). K voprosu realyzatsyy upravlyaemoho dvyzhenyya vdol prohrammnoy kryvoy. Visnyk Donetskoyi akademiyi avtomobilnoho transportu, 3, 67–73.
Berestova, S. A., Misyura, N. E., Mityushov, E. A. (2015). Kinematic control of vehicle motion. Vestnik Udmurtskogo Universiteta. Matematika. Mekhanika. Komp’yuternye Nauki, 25 (2), 254–266. doi: https://doi.org/10.20537/vm150210
Pismennaya, Ye. V. (2013). Algoritmy upravleniya dvizheniyem mobilnogo robota po zadannym trayektoriyam. Mekhatronika, avtomatizatsiya, upravleniye, 3, 16–24.
Verbitskiy, V. H., Poliakova, N. P., Tatievskiy, D. N. (2018). Issledovaniye vozmozhnosti realizatsii upravlyayemogo dvizheniya avtopoyezda vdol programmnoy krivoy. Vcheni zapysky Tavriyskoho natsionalnoho universytetu imeni V. I. Vernadskoho. Seriya: Tekhnichni nauky, 29 (6 (68)), 2–4.
Yin, G.-D., Chen, N., Wang, J.-X., Chen, J.-S. (2010). Robust control for 4WS vehicles considering a varying tire-road friction coefficient. International Journal of Automotive Technology, 11 (1), 33–40. doi: https://doi.org/10.1007/s12239-010-0005-5
Yin, G.-D., Chen, N., Wang, J.-X., Wu, L.-Y. (2010). A Study on μ-Synthesis Control for Four-Wheel Steering System to Enhance Vehicle Lateral Stability. Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, 133 (1). doi: https://doi.org/10.1115/1.4002707
Chen, C., Jia, Y. (2012). Nonlinear decoupling control of four-wheel-steering vehicles with an observer. International Journal of Control, Automation and Systems, 10 (4), 697–702. doi: https://doi.org/10.1007/s12555-012-0404-7
Marino, R., Cinili, F. (2009). Input–Output Decoupling Control by Measurement Feedback in Four-Wheel-Steering Vehicles. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 17 (5), 1163–1172. doi: https://doi.org/10.1109/tcst.2008.2004441
El Hajjaji, A., Ciocan, A., Hamad, D. (2005). Four wheel steering control by fuzzy approach. Journal of Intelligent and Robotic Systems, 41 (2–3), 141–156. doi: https://doi.org/10.1007/s10846-005-3805-z
Jie Zhang, Yunqing Zhang, Liping Chen, Jingzhou Yang. (2007). A fuzzy control strategy and optimization for four wheel steering system. 2007 IEEE International Conference on Vehicular Electronics and Safety. Beijing, China, 1–6. doi: https://doi.org/10.1109/icves.2007.4456359
Song, J. (2012). Integrated control of brake pressure and rear-wheel steering to improve lateral stability with fuzzy logic. International Journal of Automotive Technology, 13 (4), 563–570. doi: https://doi.org/10.1007/s12239-012-0054-z
Chen, Y., Chen, W., Wei, X., Zhao, F. (2012). Linear Quadratic Gaussian Optimal Control Strategy for Four-Wheel Steering Vehicle. Proceedings of the FISITA 2012 World Automotive Congress, 641–650. doi: https://doi.org/10.1007/978-3-642-33835-9_59
Chen, S.-Z., Shu, J., Yang, L. (2006). Research on vehicle control technology using four-wheel independent steering system. Journal of Beijing Institute of Technology, 15 (1), 22–26.
Gorelov, V. A., Kotiyev, G. O., Tropin, S. L. (2012). «Veyernyy» zakon dlya vsekolesnogo rulevogo upravleniya mnogoosnykh kolesnykh transportnykh sredstv. Vestnik MGTU im. N. E. Baumana. Ser. Mashinostroyeniye, 2, 102–116.
Gao, L., Jin, L., Wang, F., Zheng, Y., Li, K. (2015). Genetic algorithm–based varying parameter linear quadratic regulator control for four-wheel independent steering vehicle. Advances in Mechanical Engineering, 7 (11), 168781401561863. doi: https://doi.org/10.1177/1687814015618632
Sano, S., Furukawa, Y., Shiraishi, S. (1986). Four Wheel Steering System with Rear Wheel Steer Angle Controlled as a Function of Sterring Wheel Angle. SAE Transactions, 95, 880–893.