Motion coordination and control in systems of nonholonomic autonomous vehicles

Bewegungskoordination und Regelung in Gruppen nichtholonomer autonomer Fahrzeuge

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-46442
  • This work focuses on coordination methods and the control of motion in groups of nonholonomic wheeled mobile robots, in particular of the car-like type. These kind of vehicles are particularly restricted in their mobility. In the main part of this work the two problems of formation motion coordination and of rendezvous in distributed multi-vehicle systems are considered. We introduce several enhancements to an existing motion planning approach for formations of nonholonomic mobile robots. Compared to the original method, the extended approachThis work focuses on coordination methods and the control of motion in groups of nonholonomic wheeled mobile robots, in particular of the car-like type. These kind of vehicles are particularly restricted in their mobility. In the main part of this work the two problems of formation motion coordination and of rendezvous in distributed multi-vehicle systems are considered. We introduce several enhancements to an existing motion planning approach for formations of nonholonomic mobile robots. Compared to the original method, the extended approach is able to handle time-varying reference speeds as well as adjustments of the formation's shape during reference trajectory segments with continuously differentiable curvature. Additionally, undesired discontinuities in the speed and steering profiles of the vehicles are avoided. Further, the scenario of snow shoveling on an airfield by utilizing multiple formations of autonomous snowplows is discussed. We propose solutions to the subproblems of motion planning for the formations and tracking control for the individual vehicles. While all situations that might occur have been tested in a simulation environment, we also verified the developed tracking controller in real robot hardware experiments. The task of the rendezvous problem in groups of car-like robots is to drive all vehicles to a common position by means of decentralized control laws. Typically there exists no direct interaction link between all of the vehicles. In this work we present decentralized rendezvous control laws for vehicles with free and with bounded steering. The convergence properties of the approaches are analyzed by utilizing Lyapunov based techniques. Furthermore, they are evaluated within various simulation experiments, while the bounded steering case is also verified within laboratory hardware experiments. Finally we introduce a modification to the bounded steering system that increases the convergence speed at the expense of a higher traveled distance of the vehicles.show moreshow less
  • Diese Arbeit befasst sich mit Methoden zur Bewegungskoordination und Regelung in Gruppen autonomer, nichtholomer Fahrzeuge, wobei vornehmlich autoähnliche mobile Roboter betrachtet werden. Diese Fahrzeuge sind besonders eingeschränkt in ihrer Bewegungsfreiheit. Im Hauptteil der Arbeit werden die Probleme der Formationsbewegung und des Rendezvous in Gruppen verteilter Fahrzeuge betrachtet. Für ein bestehendes Verfahren zur Bewegungsplanung für Formationen nichtholonomer, mobiler Fahrzeuge werden eine Reihe von Verbesserungen vorgestellt.Diese Arbeit befasst sich mit Methoden zur Bewegungskoordination und Regelung in Gruppen autonomer, nichtholomer Fahrzeuge, wobei vornehmlich autoähnliche mobile Roboter betrachtet werden. Diese Fahrzeuge sind besonders eingeschränkt in ihrer Bewegungsfreiheit. Im Hauptteil der Arbeit werden die Probleme der Formationsbewegung und des Rendezvous in Gruppen verteilter Fahrzeuge betrachtet. Für ein bestehendes Verfahren zur Bewegungsplanung für Formationen nichtholonomer, mobiler Fahrzeuge werden eine Reihe von Verbesserungen vorgestellt. Diese ermöglichen dem erweiterten Verfahren den Umgang mit Referenztrajektorien mit nicht-konstanter Geschwindigkeit und stetig differenzierbarer Krümmung. Außerdem werden im Gegensatz zum ursprünglichen Ansatz unerwünschte Sprungstellen in den Geschwindigkeits- und Krümmungsprofilen der Fahrzeuge vermieden. Desweiteren wird in dieser Arbeit das Schneeräumen auf Flughafenrollfeldern mittels Formationen autonomer Schneepflugfahrzeuge diskutiert. Dabei werden Lösungen für die Teilprobleme Bewegungsplanung der Formationen und Spurführungsregelung der einzelnen Fahrzeuge vorgestellt. Zusätzlich zu den durchgeführten Simulationen werden außerdem die Ergebnisse von Hardwareexperimenten mit der entwickelten Spurführungsregelung präsentiert. Das Rendezvous-Problem in Gruppen autoähnlicher Roboter besteht darin, die Fahrzeuge durch dezentrale Regelgesetze zu einer gemeinsamen Position in der Ebene zu bewegen. Dabei besteht typischerweise keine direkte Interaktionsverbindung zwischen allen Fahrzeugen der Gruppe. In dieser Arbeit werden verteilte Rendezvous-Regelgesetze für Fahrzeuge mit unbeschränktem und mit beschränktem Lenkwinkel eingeführt und deren Konvergenzeigenschaften mit Methoden zur Stabilitätsanalyse nicht-linearer Systeme untersucht. Die vorgestellten Regelsysteme werden weiterhin anhand von Simulationen und Hardwareexperimenten verifiziert. Schließlich wird noch eine Erweiterung des Systems für Fahrzeuge mit beschränktem Lenkwinkel vorgestellt, welches die Konvergenzgeschwindigkeit auf Kosten der zurückgelegten Distanz der Fahrzeuge erhöht.show moreshow less

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Metadaten
Author: Martin Hess
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-46442
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Mathematik und Informatik
Faculties:Fakultät für Mathematik und Informatik / Institut für Informatik
Date of final exam:2010/02/19
Language:English
Year of Completion:2009
Series (Serial Number):Würzburger Forschungsberichte in Robotik und Telematik (2)
ISBN:978-3-923959-55-6
Dewey Decimal Classification:0 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke / 00 Informatik, Wissen, Systeme / 004 Datenverarbeitung; Informatik
GND Keyword:Robotik; Autonomer Roboter; Mobiler Roboter; Bewegungskoordination; Dezentrale Regelung; Nichtlineare Regelung; Rendezvous
Tag:Formationsbewegung; Kooperierende mobile Roboter; Mehrfahrzeugsysteme; Nichtholonome Fahrzeuge; Unstetige Regelung
Autonomous multi-vehicle systems; car-like robots; multi-vehicle formations; multi-vehicle rendezvous; nonholonomic vehicles
CCS-Classification:G. Mathematics of Computing / G.1 NUMERICAL ANALYSIS / G.1.7 Ordinary Differential Equations
I. Computing Methodologies / I.2 ARTIFICIAL INTELLIGENCE / I.2.8 Problem Solving, Control Methods, and Search (F.2.2)
I. Computing Methodologies / I.2 ARTIFICIAL INTELLIGENCE / I.2.9 Robotics
I. Computing Methodologies / I.2 ARTIFICIAL INTELLIGENCE / I.2.11 Distributed Artificial Intelligence
Release Date:2010/03/17
Advisor:Prof. Dr. Klaus Schilling