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Control and coordination for a group of mobile robots in unknown environments

Mehrjerdi, Hasan (2010). Control and coordination for a group of mobile robots in unknown environments. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

This thesis studies the trajectory tracking and cooperative behavior for a team of mobile robots using nonlinear and intelligent algorithms to more efficiently achieve the mission outcome. There are many practical applications where specific tasks are more resourcefully achieved by using a group of mobile robots rather than a single robot. Mobile robots can subdivide and multi-task the mission with speed and accuracy and the ability to be individually modified for precise tasks makes them ideally suited for applications such as search and rescue, exploration or entertainment. When comparing the mission outcome of a group of multi mobile robots (MMR) to that of a single robot, we see that the performance of the MMR group improves the specific task allocation, safety, the time duration required and the system effectiveness to achieve the outcome.

In order to create the most effective control algorithm for trajectory tracking, we present three different techniques including Lyapunov technique, intelligent control (fuzzy control) and the exponential version of sliding mode. The developed algorithms instruct a robot to keep moving on their desired trajectory while simultaneously reducing tracking errors. The experimental results when using a single mobile robot are presented to demonstrate the potential and capability of the developed algorithms.

In order to coordinate a group of mobile robots to achieve a common outcome, the goal is to create efficient system architecture and a control algorithm that enables them to work both individually and in meaningful robot formations. This is achieved by employing coordination and trajectory tracking techniques with the knowledge derived by the localization of the robots from their environment. Three different hierarchical controllers are presented based on nonlinear and intelligent techniques in order to construct an algorithm that exhibits both group cooperation and coordination for a team of mobile robots. These controllers consist of Lyapunov technique, intelligent control (fuzzy control) and the exponential version of sliding mode.

For improved trajectory tracking, each robot is fitted with onboard sensors. When an obstacle is detected by any of the robots’ sensors, they direct that robot to move around the obstacle by changing its velocity and direction. As well as obstacle avoidance, the controllers work to make the MMR group arrive concurrently at their target points by adjusting each of the individual robots’ velocities as they move along their desired trajectories. This means the group will arrive at their destination within the same time duration, regardless of the length of each individual trajectory or number of obstacles that confront each robot.

The experimental results obtained using three mobile robots display the performance of these control algorithms in producing a cooperative and coordinated behavior for the robot group.

Titre traduit

Contrôle et coordination pour un groupe de robots mobiles dans un environnement inconnu

Résumé traduit

Il existe de nombreuses applications pour lesquelles la tâche requise sera atteinte beaucoup plus efficacement avec l’utilisation d’un groupe de robots mobiles comparativement à un robot unique. Les groupes de robots mobiles peuvent obtenir les résultats souhaités avec rapidité et précision, puisqu’il est possible de modifier chaque robot pour certaines tâches spécifiques, ils deviennent idéaux pour les applications telles que le sauvetage, l'exploration et le divertissement. Lorsqu’on compare l'issue de la mission d'un groupe de robots mobiles à celle d'un robot unique, il est facile de voir que les performances du groupe de robots mobiles améliorent la répartition des tâches spécifiques, la sécurité, la durée du temps nécessaire et l'efficacité du système pour atteindre le résultat souhaité. Cette thèse étudie le suivi de la trajectoire et le comportement coopératif pour un groupe de robots mobiles, fondés sur l'utilisation d'algorithmes non linéaires et intelligents.

Afin de créer l'algorithme de contrôle le plus efficace pour le suivi des trajectoires, nous présentons trois différentes techniques, soit la technique de Lyapunov, le contrôle intelligent (commande floue) et une version exponentielle du mode de glissement. Les algorithmes développés assurent la poursuite des trajectoires désignées tout en minimisant les erreurs. Les résultats expérimentaux en utilisant un seul robot mobile sont présentés pour démontrer le potentiel et la capacité des algorithmes développés.

Afin de coordonner un groupe de robots mobiles pour parvenir à un résultat commun, il est nécessaire de créer une architecture efficace et un algorithme de contrôle, ce qui leur permettra de travailler soit individuellement soit dans des formations robotiques organisées. Ceci est réalisé en employant des techniques de suivi de trajectoires et de commandes de coordination, en ayant une connaissance de la localisation des robots dans leur environnement. Dans cette thèse, trois contrôleurs hiérarchiques différents sont présentés, basés sur des techniques non linéaires et en se servant de l'asservissement par PID des roues des robots afin de concevoir un algorithme qui démontrera à la fois la coopération et la coordination d'une équipe de robots mobiles. Ces contrôleurs sont basés sur la technique de Lyapunov, le contrôle intelligent (commande floue) et une version exponentielle du mode de glissement.

Pour l’amélioration du suivi des trajectoires, chaque robot est muni de capteurs. Quand un obstacle est détecté par l'un des capteurs, l'algorithme permet une manoeuvre incitant le robot à se déplacer autour de l'obstacle en changeant sa vitesse et sa direction. En plus de l'évitement d'obstacles, les contrôleurs permettent à tous les robots d’atteindre simultanément leur destination respective en ajustant la vitesse de chaque robot individuellement pendant que ceux-ci se déplacent le long de leur trajectoire prédéfinie. Cela signifie que tout le groupe arrivera à destination en même temps, quelle que soit la longueur de chaque parcours individuel ou le nombre d'obstacles rencontrés.

Les résultats expérimentaux obtenus en utilisant trois robots mobiles montrent la performance de ces algorithmes de contrôle et le comportement de coopération et de coordination par un groupe de robots.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy" Bibliogr. : f. [147]-154.
Mots-clés libres: Robots mobiles. Commande non linéaire. Commande intelligente. Coordination. Algorithmes. Coopération, Environnement, Exponentiel, Glissement, Groupe, Inconnu, Suivi, Trajectoire.
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Saad, Maarouf
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 28 mars 2011 15:08
Dernière modification: 07 févr. 2017 22:50
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/652

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