Controladores NMPC descentralizados para o controle de formação de robôs móveis

Abstract

Nesta tese propõe-se o projeto e o desenvolvimento de controladores de formação descentralizados para robôs móveis de diferentes tipos. As soluções baseiam-se na utilização de controladores preditivos não lineares NMPC de tempo contínuo para o cálculo das referências de pose e velocidade para cada robô da formação acoplados via função objetivo ou estados. A tarefa definida para os robôs em formação é o seguimento de caminhos espaciais, pré definidos ou adquiridos através de informações visuais, caso em que o controle é realizado diretamente no plano da imagem, através da utilização de características visuais simplificadas. Para o tratamento de formações e caminhos variantes no tempo, propõe-se uma abordagem para garantia de factibilidade recursiva sem demasiado aumento da complexidade algorítmica dos controladores locais. Tal abordagem baseia-se no relaxamento das restrições do problema de otimização sem penalização explícita na função objetivo. São apresentadas duas propostas para o controle de formação utilizando informações visuais, uma baseia-se num novo conceito de câmeras e caminhos virtuais e a outra implementa a estratégia líder seguidor tradicional. Decorrente da não linearidade dos modelos obtidos, surgem limitações nos horizontes de predição e controle, interferindo diretamente nos requisitos de estabilidade. Neste caso, a estabilidade é garantida através da adição de um custo terminal às funções objetivo e uma zona terminal para as restrições. Resultados simulados e experimentais são apresentados para demonstrar o desempenho das estratégias propostas em diversas situações.

This thesis proposes the design and the development of decentralized formation controllers for di erent types of mobile robots. The solutions are based on the use of continuous time non-linear model predictive formation controllers NMPC for the calculus of references of poses and velocity. The task de ned for the robots in formation are to track spacial paths, pre-speci ed or acquired through visual information, in wich case the control is accomplished direct from the image plane. For the handling of time-varying formations and paths, an approach is proposed to guarantee recursive feasibility without too much increase of the algorithmic complexity of the local controllers. Such an approach is based on the constraints relaxation of the optimization problem without any explicit penalty in the objective function. Two approaches are presented for Formation control using visual information, one based on a new concept of virtual cameras and paths and the other one implements the traditional Leader-Follower strategy. Due to the non-linearity of the obtained models, limitations on prediction and control horizons arise, directly interfering on the stability requirements. Simulated and experimental results are shown to demonstrate the good performance of the proposed strategies in di erent situations.