Model predictive control-based offroad navigation for a mobile manipulator

The objective of this work is to develop a control algorithm, based on the MPC technique, which guarantees the safe navigation of a mobile manipulator in rough environments. To reduce the computational load derived from this control technique a linear MPC is adopted. The mobile wheelbase considered in this work is a skid steering vehicle whereas the manipulator is a 6 degrees of freedom robotic arm. In order to achieve a linear model for them the feedback linearization technique is applied to the skid steering non-linear model, whereas the robotic arm model is linearized through MPC recursion. Different functions to empower the off-road navigation have been studied. With regards to the mobile wheelbase, the considered functions are: trajectory following, obstacle avoidance, Frechet distance-based approach to unfeasible trajectories and admissible state-space navigation. The control of the robotic arm is developed to stabilize the manipulator according to terrain slope, avoiding collision with the mobile wheelbase. All the mentioned functions are tested through specific simulations and a final vineyard navigation case is studied and simulated.

Questo lavoro si pone come obiettivo lo sviluppo di un algoritmo di controllo basato sulla tecnica MPC che garantisca la navigazione di un manipolatore mobile in terreni accidentati. Per ridurre il carico computazionale richiesto da questa tecnica, ne viene utilizzata la sua variante lineare. La base mobile considerata in questa tesi è un veicolo skid steering, mentre il manipolatore utilizzato è un braccio robotico a sei gradi di libertà. Al fine di ottenere un modello lineare per entrambi, la tecnica di feedback linearizzazione è applicata al modello cinematico non lineare della piattaforma mobile, mentre il modello del braccio robotico è linearizzato grazie alla ricorsione della tecnica MPC. Per la piattaforma mobile sono state implementate le seguenti funzioni: inseguimento di traiettoria, evitamento di ostacoli, approccio basato sulla distanza di Frechet alle traiettorie irrealizzabili e navigazione nello spazio ammissibile. Il controllo del braccio robotico è stato invece sviluppato per stabilizzare il manipolatore mobile in base alla pendenza del terreno, evitando collisioni con la piattaforma mobile. Tutte le funzioni appena menzionate sono state testate singolarmente. Infine, è stata effettuata una simulazione complessiva per la navigazione in vigna.