Control of in-wheel motors for an outdoor skid-steering robot

The purpose of this thesis is to analyze the effects of non-flat surfaces and non-ideal tire models on the motor control of 4 in-wheel skid-steering mobile robot. The reason for this research is to design an outdoor vehicle capable of working on harsh conditions. The thesis is composed of 6 chapters, each of them dealing with different aspects of the modeling, comparison and implementation. Chapter 1 contains the problem statement, it briefly explains the issue that we are facing. Chapter 2 details the model of the system starting from the most basic concepts. This chapter is divided into the kinematic description of the skid-steering theory, the dynamics behavior of a mobile robot, the modeling of a DC brushless motor and a trajectory generator to plan a realistic path. Chapter 3 includes an explanation of the control architectures that we have considered and the final choices that we have made. Chapter 4 focuses in the simulation and comparison of the system under different conditions. It contains all the tests necessary to verify the modeling stated in Chapters 2 and 3. Chapter 5 deals with the implementation of a single motor control and the experimental results. It starts by introducing the Field Oriented Control theory, which is applied in the software to accomplish the control. Finally, a set of tests were conducted in order to validate the control loops. The results show that the tires introduce dynamical transients that must be taken into consideration. The motors seems to drive the vehicle properly but it must be taken into account that they can overheat if they are running too much time in steep slopes. It can be concluded that more information is necessary to estimate the physical limits of the vehicle. Finally, more research must be conducted to generate a trajectory planning that optimizes the motor's performance. It was shown that a proper selection of the timing law allows the system to run in steep slope without saturating the motors' currents, reducing the power consumption and extending its autonomy.

L'obiettivo della tesi è analizzare gli effetti di superfici non piane e modelli con pneumatici non ideali sul controllo del motore di un 4 in-wheel skid-steering robot. Lo scopo di questa ricerca è progettare un veicolo da esterno capace di funzionare in condizioni difficili. La tesi è composta di 6 capitoli, ognuno dei quali si occupa di diversi aspetti della modellizzazione, del confronto e dell'implementazione. Il capitolo 1 contiene l'esposizione del problema e spiega l'argomento che stiamo affrontando. Il capitolo 2 analizza il modello del sistema partendo dai concetti basilari. Questo capitolo è diviso in una descrizione cinematica della teoria dello \textit{skid-steering}, la dinamica del comportamento di un robot, la modellizzazione di un motore DC brushless e un generatore di traiettorie per stabilire un percorso realistico. Il capitolo 3 include la spiegazione dell'architettura di controllo che abbiamo considerato e le scelte finali che abbiamo fatto. il capitolo 4 si concentra sulla simulazione e la comparazione del sistema sotto diverse condizioni. Contiene tutti i test necessari per verificare il modello definito nei capitoli 2 e 3. Il capitolo 5 si occupa dell'implementazione del controllo di un singolo motore e dei risultati sperimentali. Si apre introducendo la teoria del Controllo a Orientamento di Campo, che è applicata nel software per ottenere il controllo. Infine, una serie di test sono stati condotti per dare validità all'anello di controllo. I risultati mostrano che i pneumatici introducono transitori dinamici che devono essere presi in considerazione. Il motore sembra condurre il veicolo in maniera appropriata, ma bisogna tenere in considerazione che possono surriscaldarsi se si muovono per troppo tempo su pendenze ripide. Si può concludere che sono necessarie più informazioni per stimare i limiti fisici del veicolo. Infine, dovrà essere condotta altra ricerca per generare una traiettoria che ottimizzi la performance del motore. Si è evidenziato che un'appropriata selezione della legge oraria permette al sistema di muoversi su pendenze ripide senza saturare le correnti del motore, riducendo il consumo di energia ed allungandone l'autonomia.