Nonlinear Whole-Body Force Control of a Smart E-Cargo

Since their introduction, Segway-like vehicles have generated great interest and admiration from both manufacturers and users, due to their simple mechanical structure, unique maneuverability, and ability to operate in different scenarios, with a wide range of possible applications. Despite the apparent simplicity of the model, studying the controllers to be applied to these vehicles is not straightforward given their particular nonlinear dynamics and inherent instability. This has always been a topic of interest for the engineering community. Over the years, various control strategies have been developed for these vehicles, ranging from more classical methodologies to the application of intelligent controllers, demonstrating very good results in terms of performance. However, less emphasis has been placed on studying slip prevention between wheels and terrain and on utilizing these vehicles as platforms capable of autonomous navigation. The aim of this thesis is to address these two challenges, applied to an autonomous two-wheeled electric cargo (smart E-Cargo) with a Task Space Inverse Dynamics (TSID) controller. This controller, within an optimization problem, is capable of managing a series of kinematic and dynamic constraints to ensure pure rolling motion, while simultaneously guaranteeing self-balancing and tracking of a desired trajectory in space. Since TSID is mainly designed for humanoid robots modeled as floating-base systems, the same approach has been adopted for the smart E-Cargo. The proposed control strategy has been implemented using Matlab and Simulink, receiving in input a Unified Robot Description Format (URDF) model of the vehicle. Simulation results demonstrate the effectiveness of the TSID approach in maintaining stability and achieving precise control. Additionally, robustness analysis is conducted to evaluate the performance under various load conditions and uncertainties in the friction coefficient estimation.

Sin dalla loro introduzione, i veicoli di tipo Segway hanno suscitato grande interesse e ammirazione sia tra i produttori che tra gli utilizzatori, grazie alla loro semplice struttura meccanica, alla manovrabilità unica e alla capacità di operare in diversi scenari, con una vasta gamma di possibili applicazioni. Nonostante la apparente semplicità del modello, lo studio dei controllori da applicare a questi veicoli non è banale, a causa della loro particolare dinamica non lineare e dell'intrinseca instabilità. Questo è sempre stato un argomento di grande interesse per la comunità ingegneristica. Nel corso degli anni, sono state sviluppate diverse strategie di controllo per questi veicoli, spaziando dalle metodologie più classiche all'applicazione di controllori intelligenti,mostrando ottimi risultati in termini di performance. Tuttavia, si è prestata meno attenzione allo studio della prevenzione dello slittamento tra ruote e terreno e all'utilizzo di questi veicoli come piattaforme capaci di navigazione autonoma. Lo scopo di questa tesi è affrontare queste due sfide, applicate a un veicolo elettrico autonomo a due ruote (smart E-Cargo), mediante un controllore Task Space Inverse Dynamics (TSID). Questo controllore, all'interno di un problema di ottimizzazione, è in grado di gestire una serie di vincoli cinematici e dinamici per garantire un moto di puro rotolamento, assicurando allo stesso tempo l'auto-bilanciamento e il tracking di una traiettoria desiderata nello spazio. Poiché il TSID è principalmente progettato per robot umanoidi modellati come sistemi floating base, lo stesso approccio è stato adottato per l'E-Cargo. La strategia di controllo proposta è stata implementata utilizzando Matlab e Simulink a partire da un modello del veicolo nel formato Unified Robot Description Format (URDF). I risultati delle simulazioni mostrano l'efficacia dell'approccio TSID nel mantenere la stabilità e nel raggiungere un tracking preciso. Inoltre, è stata condotta un'analisi di robustezza per valutare le prestazioni sotto diverse condizioni di carico e in presenza di un'incertezza nella misura dell'attrito.