A combined RRT*-optimal control approach for kinodynamic motion planning for mobile robots
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2016
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Abstract
Uno de los desafíos más importantes en la minería subterránea es la planificación de trayectorias para excavadoras y camiones, debido principalmente al escaso espacio disponible para maniobrar y al consumo de combustible. Múltiples métodos para planificación de trayectorias para robots móviles han sido propuestos en las últimas décadas. Gran parte de estos métodos calculan trayectorias que satisfacen un criterio de optimización, pero no consideran la factibilidad de la trayectoria en términos de la dinámica de movimiento del robot. En este trabajo se presentan dos métodos de planificación de trayectorias que combinan el algoritmo de planificación RRT* con la solución de un problema de control óptimo sobre un número finito de subintervalos de una trayectoria poligonal, la cual se deriva del camino encontrado con RRT*. Los algoritmos propuestos consideran el modelo de movimiento del robot en la etapa de planificación, por lo que las trayectorias generadas son dinámicamente compatibles con el robot.
La primera estrategia resuelve un problema de control óptimo en la cercanía de los vértices de la trayectoria poligonal, mientras que el segundo método resuelve el problema de control óptimo conectando directamente los vértices. Geométricamente, el primer enfoque conecta líneas con curvas en los vértices, mientras que el segundo genera curvas suaves. En ambos casos las trayectorias pueden ser seguidas con un controlador de movimiento con errores insignificantes en comparación con las trayectorias generadas con RRT*. No obstante, una diferencia importante entre los métodos propuestos es que el segundo método es capaz de generar trayectorias que pueden ser seguidas con una velocidad longitudinal constante y cambios graduales en la velocidad angular. Los algoritmos propuestos se evaluaron en simulaciones y experimentos usando un cargador frontal Caterpillar CAT 262C. Los resultados muestran una disminución del error de seguimiento y el esfuerzo del controlador de un 30-70%, dependiendo del escenario.
La primera estrategia resuelve un problema de control óptimo en la cercanía de los vértices de la trayectoria poligonal, mientras que el segundo método resuelve el problema de control óptimo conectando directamente los vértices. Geométricamente, el primer enfoque conecta líneas con curvas en los vértices, mientras que el segundo genera curvas suaves. En ambos casos las trayectorias pueden ser seguidas con un controlador de movimiento con errores insignificantes en comparación con las trayectorias generadas con RRT*. No obstante, una diferencia importante entre los métodos propuestos es que el segundo método es capaz de generar trayectorias que pueden ser seguidas con una velocidad longitudinal constante y cambios graduales en la velocidad angular. Los algoritmos propuestos se evaluaron en simulaciones y experimentos usando un cargador frontal Caterpillar CAT 262C. Los resultados muestran una disminución del error de seguimiento y el esfuerzo del controlador de un 30-70%, dependiendo del escenario.
Description
Tesis (Master of Sciences in Engineering)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2016