Controllo torque vectoring applicato ad un robot skid steering

This thesis work describes the development of a trajectory control system applied to a skid steering mobile robot. Starting from a Torque Vectoring Control strategy developed for the automotive industry, with the aim to improve the vehicle stability and performances during turning maneuvers, a fi nite time horizon discrete LQ controller has been designed in a suitable way for mobile robotics applications. This control law computes the torque values in input to each robot wheel in order to follow prede ned paths. In order to test this approach a full vehicle dynamic model has been developed and implemented in the general purpose platform Matlab/Simulink. The model takes into account the yaw, roll and pitch chassis dynamics, and the wheel-terrain interaction phaenomena, following the theory developed by Pacejka. The wheel-terrain interaction phaenomena have a great relevance in modeling the skid steering robot dynamic behavior, since during turning maneuvers slip phaenomena occur. The control law thus has been implemented in Matlab/Simulink and consequently tested by simulations. The results show that the Torque Vectoring control strategy designed has many bene ts to respect to a conventional kinematic one, tipically used to control the motion of the skid steering mobile robots. In particular: the chance to increase the control bandwidth and the increase in the trajectory following accuracy, due to the consideration of friction phenomena occurring during skid steering robot turning manweuvers. Finally the skid steering mobile robot has been designed and assembled from scratch, with the aim to test the Torque Vectoring control law synthetized. Thus the chassis design has been developed togheter with the connection joints that alllowed to x the motor wheels to the chassis itself. Then the velocity sensors and the electric storage system have been designed, and the power electronics suitable to the AC brushless electric motors mounted inside the wheels have been chosen. Unfortunately the experimental trials to validate the control law have not been carried out, but this thesis work can be a starting point for future experimental campaigns.

Questo lavoro di tesi descrive lo sviluppo di un sistema di controllo della traiettoria di un robot mobile skid steering. Prendendo spunto da una strategia di controllo Torque Vectoring sviluppata per il settore automobilistico, allo scopo di stabilizzare e migliorare le performance del veicolo in curva, è stata sintetizzata una legge di controllo basandosi sulla teoria del controllo ottimo LQ discreto ad orizzonte finito che si adattasse al settore della robotica mobile. Tale legge calcola i valori di coppia motrice da fornire alle singole ruote al fine di realizzare l'inseguimento di traiettorie prefissate. Per testare tale legge di controllo si è sviluppato un modello dinamico completo del robot, implementandolo nel software general purpose Matlab/Simulink. Nella modellazione si è tenuto conto oltre che della dinamica d'imbardata, di rollio e di beccheggio dello chassis; anche dell'interazione tra gli pneumatici ed il terreno, seguendo la teoria sviluppata da Pacejka. La descrizione dell'interazione ruota terreno risulta di fondamentale importanza per un robot skid steering, per il quale l'esecuzione di una manovra sterzante implica lo slittamento relativo tra i pneumatici e la superficie con cui essi sono in contatto. La legge di controllo è stata quindi implementata in Matlab/Simulink ed è stata successivamente validata tramite simulazioni, dalle quali sono emersi i benefici del controllo Torque Vectoring progettato, rispetto ad uno cinematico usato convenzionalmente per controllare tale tipologia di robot. In particolare: la possibilità di avere un'elevata banda passante, realizzando un sistema più pronto; e un inseguimento più accurato della traiettoria imposta, grazie ad un sistema di controllo che considera i fenomeni dinamici complessi dovuti all'insorgere di forze d'attrito tra gli pneumatici ed il terreno durante l'esecuzione di manovre sterzanti. Infine, è stato assemblato da zero un robot skid steering, con lo scopo di validare il sistema di controllo Torque Vectoring sviluppato. Sono stati quindi progettati il telaio del robot, i giunti per il collegamento dello chassis alle moto ruote ed i sensori di velocità. \'{E} stato portato a termine, inoltre, il progetto preliminare dei due manipolatori che verranno successivamente montati sul robot; ed il dimensionamento e la scelta del sistema di alimentazione, delle moto ruote e dell'elettronica di controllo e di potenza. Sebbene nel contesto di questo lavoro di tesi non sia stato possibile testare sul robot progettato la strategia di controllo Torque Vectoring qui implementata, sono state tuttavia poste le basi per delle successive fasi di sperimentazione.