Sviluppo di un controllo predittivo per un manipolatore con base omnidirezionale

The present work aim is to develop a complete framework for a mobile manipulator with omnidirectional mobile platform. The control algorithm exploits the predictive model-based technique (MPC) to define a constrained optimization problem in relation to the framework developed. For real-time application it is necessary to reduce the computational time of this technique. For this reason, the control architecture, which exploits a linear model of the robot, define a linear MPC consisting on a series of simple integrators. In this way it is possible to consider the dynamics of the robot more rapid than the ones of the MPC control system and, through the internal control loops, to impose a kinematic command (i.e. speed command). The validity of the linear model is limited by the bandwidth of the model that allows to approximate the robot system to a low pass filter. With rapid acceleration or fast movements the performance of the controller is no longer satisfactory since in this condition it is necessary to consider the nonlinear dynamics of the mechatronic system (i.e. robot). Different cost function and constraints formulation have been developed in order to solve the characteristic problems of mobile manipulators in agriculture and industry. The MPC performances are verified using the dynamic system of the robot KUKA youBot available in VREP simulator. Finally, are shown the experimental results which ensure MPC approach validation for a mobile manipulator are shown.

Il presente lavoro si pone l'obiettivo di sviluppare un framework completo per la guida autonoma e/o teleoperata di un manipolatore mobile con base olonoma. L'algoritmo di controllo utilizzato sfrutta la tecnica predittiva model-based per definire un problema di ottimizzazione vincolata in relazione al framework sviluppato. Per un'applicazione real-time del sistema di controllo è necessario ridurre l'onere computazionale caratteristico di questa tecnica. Per questo motivo si utilizza un'architettura di controllo che, sfruttando il modello lineare del robot, permette di definire un MPC lineare composto da una serie di integratori semplici. In questo modo è possibile considerare la dinamica del robot più rapida rispetto a quella del sistema di controllo MPC e, grazie agli anelli di controllo interni, impartire un comando cinematico (i.e. velocità). La validità del modello lineare è limitata dalla banda passante del robot che consente di approssimare il sistema robotico ad un filtro passa basso. Per movimenti rapidi o accelerazioni eccessive le prestazioni ottenute con questa tecnica non sono più soddisfacenti, in quanto è necessario considerare la dinamica non lineare del sistema meccatronico (i.e. robot). Verranno introdotti diversi elementi di controllo per risolvere le problematiche caratteristiche dei manipolatori mobili. Le prestazioni del controllo MPC sono verificate utilizzando il sistema dinamico del robot KUKA youBot disponibile nel simulatore VREP. Infine, si riportano i risultati sperimentali che accertano la validazione dell'approccio MPC per un manipolatore mobile.