Model identification and control of a wheeled inverted pendulum vehicle designed for urban package delivery

This thesis project is focused on model identification and control of a Wheeled Inverted Pendulum, in the context of the development of an autonomous vehicle for parcel delivery in urban environment. Our work was divided into two phases: the first was related to the computation and numerical assessment of a dynamical model of our prototype, whereas in the second two different controllers were developed. Particular attention was paid to the difficulties arising from carrying out parcel delivery tasks with a WIP vehicle, together with the main obstacles the urban environment presents. Namely, two main situations were examined: that in which the vehicle carries an unbalanced load and that in which it has to overcome a sloped stretch of road. Both the adopted control approaches were tested with a series of experiments aimed at evaluating their ability at driving the vehicle in an urban environment, possibly facing the aforementioned situations. The desired vehicle behaviour was obtained using each regulator, both in nominal and in perturbed situations. In particular, the design of a cascade regulator made it possible to impose a constraint on the maximum allowed pitch angle; that is a key peculiarity for our vehicle due to the significant clearances, and the necessity of achieving the maximum field of view for the exteroceptive sensors, which are mounted on the chassis and therefore impaired when the vehicle assumes too large pitch angles.

Questo progetto di tesi riguarda la modellizzazione e il controllo di un pendolo inverso su ruote, nell’ambito dello sviluppo di un veicolo autonomo per la consegna di pacchi in ambiente urbano. E’ stata affrontata una prima fase di modellazione e identificazione dei parametri meccanici che caratterizzano il prototipo, e in seguito il progetto di due diversi controllori. Particolare attenzione è stata dedicata agli ostacoli presentati dal tipo di operazioni per il quale il veicolo è stato progettato e dall’ambiente urbano in cui queste devono essere portate a termine. Nello specifico sono state trattate le difficoltà derivanti dal trasporto di carichi, e quelle dovute alla possibilità di dover affrontare tratti di strada in pendenza. Entrambi gli approcci di controllo sono stati sperimentati con una serie di test volti a valutarne le performance e la capacità di affrontare i suddetti problemi. Entrambi gli approcci hanno fornito regolatori in grado di produrre il funzionamento desiderato nel veicolo, tanto in condizioni nominali quanto in presenza di disturbi. In particolare il progetto di un controllo in cascata ha consentito l’imposizione di vincoli sulla dinamica di beccheggio del veicolo, peculiarità particolarmente utile ad un veicolo dagli ingombri importanti e operante in un ambiente ricco di ostacoli come quello di cui ci siamo occupati.