Collision-Free Navigation of Wheeled Mobile Robots: An Integrated Path Planning and Tube-Following Control Approach

要約

この論文では、十分に分離された球形の障害物が散在するコンパクトな凸面作業空間における車輪付き移動ロボット(WMR)の衝突のないナビゲーションのために、統合された経路計画とチューブ追従制御スキームを提案します。
ブーリガンドのタンジェント コーンと南雲の不変定理に基づいて分析的経路計画アルゴリズムが開発されており、これにより WMR は、安全マージンのある拡張障害物領域に進入することなく、自由空間内のほぼすべての初期位置から指定された目標位置に向かってナビゲートできます。
さらに、基準軌道の周囲に仮想の「安全チューブ」を構築し、その半径が安全マージンのサイズを超えないようにします。
その後、外乱が存在する場合でも安全な軌道追跡を達成するために、飽和適応コントローラーが設計されます。
このチューブ追従コントローラは、位置追跡エラーとパラメータ推定エラーの両方の均一な最終境界を達成しながら、WMR が事前定義されたチューブ内の基準軌道を追跡することを保証することが示されています。
これは、WMR が途中で障害物に衝突しないことを示しています。
最後に、提案手法の有効性を検証するためのシミュレーションと実験結果を報告します。

要約(オリジナル)

In this paper, an integrated path planning and tube-following control scheme is proposed for collision-free navigation of a wheeled mobile robot (WMR) in a compact convex workspace cluttered with sufficiently separated spherical obstacles. An analytical path planning algorithm is developed based on Bouligand’s tangent cones and Nagumo’s invariance theorem, which enables the WMR to navigate towards a designated goal location from almost all initial positions in the free space, without entering into augmented obstacle regions with safety margins. We further construct a virtual ‘safe tube’ around the reference trajectory, ensuring that its radius does not exceed the size of the safety margin. Subsequently, a saturated adaptive controller is designed to achieve safe trajectory tracking in the presence of disturbances. It is shown that this tube-following controller guarantees that the WMR tracks the reference trajectory within the predefined tube, while achieving uniform ultimate boundedness of both the position tracking and parameter estimation errors. This indicates that the WMR will not collide with any obstacles along the way. Finally, we report simulation and experimental results to validate the effectiveness of the proposed method.

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