Robust trajectory tracking of mobile manipulators based on extended state observer and nonlinear control

Algrnaodi, Mhmed (2026). Robust trajectory tracking of mobile manipulators based on extended state observer and nonlinear control. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

This doctoral thesis proposes and experimentally validates Extended State Observer(ESO) based nonlinear control strategies for real-time trajectory tracking of mobile manipulators (MMs) operating in uncertain and dynamic environments. The developed approaches aim to overcome the limitations of conventional control methods in handling nonlinear couplings, parameter uncertainties, and external disturbances, which significantly affect the stability and tracking precision of mobile manipulators.

Mobile manipulators combine the dexterity of multi-link robotic arms with the mobility of wheeled platforms, thereby expanding their operational workspace and enabling applications in industrial automation, medical assistance, and planetary exploration. However, their complex coupled dynamics, characterized by nonholonomic constraints and interconnected subsystems, make trajectory tracking a highly challenging task. This research addresses these challenges by developing a unified observer–controller framework that guarantees robust, high-precision, and f ixed-time trajectory tracking performance.

The first part of the research introduces a Nonlinear Active Disturbance Rejection Control (NADRC) scheme, in which a Nonlinear Extended State Observer (NESO) estimates the total disturbances arising from model uncertainties and external perturbations, while a nonlinear proportional-derivative (PD) controller ensures accurate trajectory tracking. The second contribution proposes an Extended State Observer-based Non-Singular Fast Terminal Sliding Mode Control (ESO-NFTSMC) for n-DoF coupled mobile manipulators. This design avoids singularities, enhances transient response, and compensates for lumped disturbances in real-time, achieving finite-time convergence with reduced chattering. Finally, the third and principal contribution develops a Fixed-Time Terminal Sliding Mode Control (FTSMC) integrated with a Fixed-Time Extended State Observer (FESO). This framework ensures convergence to the desired trajectory within a predefined time bound, independent of initial conditions, while maintaining robustness to uncertainties and measurement noise.

All proposed approaches are mathematically analyzed using Lyapunov stability theory and experimentally validated on a 5-DoF mobile manipulator platform (Mob-ETS) developed at ÉTS. The real-time results demonstrate progressively sophisticated performance, from the smooth and robust tracking of the NADRC to the fast, finite-time convergence of the ESO-NFTSMC, and culminating in the verified fixed-time convergence of the FTSMC-FESO framework. All controllers show excellent tracking accuracy and strong robustness against external disturbances under a variety of operating conditions.

Overall, this research establishes a comprehensive and experimentally verified control framework for robust and time-guaranteed trajectory tracking of mobile manipulators, providing a significant contribution to the field of nonlinear robotic control and laying the foundation for future extensions to multi-robot coordination and adaptive fixed-time observer designs.

Titre traduit

Suivi de trajectoire des manipulateurs mobiles basé sur la commande non linéaire et l’observateur d’état étendu

Résumé traduit

Cette thèse de doctorat propose et valide expérimentalement des stratégies de commande non linéaire basées sur des observateurs d’état étendus pour le suivi de trajectoire en temps réel de manipulateurs mobiles (MM) opérant dans des environnements incertains et dynamiques. Les approches développées visent à surmonter les limitations des méthodes de commande conventionnelles dans la gestion du couplage non linéaire, des incertitudes paramétriques et des perturbations externes, qui affectent significativement la stabilité et la précision de suivi des manipulateurs mobiles.

Les manipulateurs mobiles combinent la dextérité des bras robotiques ayant plusieurs degrés de liberté avec la mobilité des plateformes à roues, élargissant ainsi leur espace de travail opérationnel et permettant des applications dans l’automatisation industrielle, l’assistance médicale et l’exploration planétaire. Cependant, leur dynamique complexe et couplée, caractérisée par des contraintes non holonomes et des sous-systèmes interconnectés, rend le suivi de trajectoire une tâche particulièrement difficile. Cette recherche aborde ces défis en développant un cadre unifié observateur-contrôleur qui garantit des performances de suivi de trajectoire robustes, de haute précision et à temps fixe.

La première partie de la recherche introduit un schéma de commande par rejet actif de perturbations non linéaire (NADRC), dans lequel un observateur d’état étendu non linéaire (NESO)estimelesperturbations totales provenant des incertitudes du modèle et des perturbations externes, tandis qu’un contrôleur PD non linéaire assure un suivi de trajectoire précis. La deuxième contribution propose une commande par mode glissant terminal rapide non singulier basée sur un observateur d’état étendu (ESO–NFTSMC) pour les manipulateurs mobiles couplés à n degrés de liberté (DDL). Cette conception élimine les singularités, améliore la réponse transitoire et compense les perturbations globales en temps réel, atteignant une convergence en temps fini avec un niveau de réticence (chattering) réduit. Enfin, la troisième et principale contribution développe une commande par mode glissant terminal à temps fixe (FTSMC) intégrée avec un observateur d’état étendu à temps fixe (FESO). Ce cadre assure la convergence vers la trajectoire désirée dans une limite de temps prédéfinie, indépendante des conditions initiales, tout en maintenant la robustesse face aux incertitudes et au bruit de mesure.

Toutes les approches proposées sont analysées mathématiquement en utilisant la théorie de la stabilité de Lyapunov et validées expérimentalement sur une plateforme de manipulateur mobile à 5 DDL (Mob-ETS) développée à l’ÉTS. Les résultats en temps réel démontrent des performances progressivement sophistiquées, allant du suivi fluide et robuste du NADRC à la convergence rapide en temps fini de l’ESO-NFTSMC, et culminant avec la convergence vérifiée en temps fixe du cadre FTSMC-FESO. Tous les contrôleurs montrent une excellente précision de suivi et une forte robustesse contre les perturbations externes dans une variété de conditions de fonctionnement.

Dans l’ensemble, cette recherche établit un cadre de commande complet et vérifié expérimentale ment pour le suivi de trajectoire robuste et à temps garanti des manipulateurs mobiles, apportant une contribution significative au domaine de la commande robotique non linéaire et posant les bases pour de futures extensions vers la coordination multi-robots et la conception d’observateurs adaptatifs à temps fixe.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of Doctor of Philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 113-124).
Mots-clés libres:	commande par rejet actif de perturbations, mode glissant terminal rapide non linéaire, stabilité à temps fixe, contrôleur découplé, manipulateur mobile, incertitude de modélisation, perturbations externes, observateur d’état étendu non linéaire
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Saad, Maarouf
Codirecteur:	Codirecteur Saad, Mohamad Fareh, Raouf
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	13 mars 2026 14:23
Dernière modification:	13 mars 2026 14:23
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3850

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