Entwurf von Bahnfolgeregelungen für beliebige Regelungspunkte und Lenkungsarten
Mobile Roboter werden in der Industrie, im Consumer-Bereich und in der Landtechnik zunehmend eingesetzt. Erste Erprobungsphasen für Robotaxis werden von Automobilkonzernen und großen Technologieunternehmen durchgeführt. Endverbraucher können einfache bis komplexere Roboter zur Unterstützung in Haushalt und Garten erwerben. In der Landwirtschaft werden insbesondere in der Tierhaltung verschiedene Mobilroboter eingesetzt, um die Tiere zu füttern und die Ställe zu reinigen. Die Vielfalt der Anwendungsgebiete und der kommerziellen Erfolge deutet darauf hin, dass mobile Roboter in Zukunft verstärkt für den Transport von Gütern und Personen sowohl on-road als auch intralogistisch eingesetzt und landwirtschaftliche Prozesse automatisiert werden. Die mobile Robotik als Wissenschaftsdisziplin beschäftigt sich mit Algorithmen zur Navigation solcher Roboter. Die Hauptbereiche sind Kartierung, Lokalisierung, Umfeldwahrnehmung, Aufgaben- und Bahnplanung sowie Bahnfolgeregelung. Die Bahnfolgeregelung steuert den Roboter mit Hilfe der Lokalisierung entlang einer Bahn zur Zielposition. Es gibt unzählige Veröffentlichungen zu diesem Thema, da verschiedene Regler sowie Algorithmen zur Schätzung von Störungen und Parametern einsetzbar sind. Diese Vielfalt wird durch die Verwendung von dynamischen und kinematischen Fahrzeugmodellen sowie den verschiedenen Lenkungsarten (Ackermann-, Differential- und Knicklenkung) vergrößert. Zur Verbesserung der Regelung kann bei Off-Highway-Fahrzeugen der Regelungspunkt in das Werkzeug wie z. B. der Schaufel eines Radladers gelegt werden. Es gibt aber wenige Publikationen zu dieser Thematik.
In dieser Arbeit wird eine Methode entwickelt, um die Komplexität beim Entwurf einer Bahnfolgeregelung handhaben zu können. Zum Aufstellen dieser Methode werden die verschiedenen Module des Regelkreises untersucht: Regler, Bahnplanung, Vorsteuerung, Vorausschaulänge, Adaption der Geschwindigkeit und Regelparameter, Schätzung von Störgrößen und Parametern. Es werden ausschließlich kinematische Modelle verwendet, um beliebige Regelungspunkte entlang der Fahrzeuglängsachse und die drei Lenkungsarten zu regeln. Sie sind aufgrund von kleinen Geschwindigkeiten für Off-Highway-Anwendungen geeignet. Die Entwurfsmethode ist angelehnt an die agile Software-Entwicklung und besteht aus drei Phasen: Analyse-, Implementierungs- und Testphase. Der Zyklus wird mit diesen Phasen iterativ durchlaufen. Das Ziel ist, den Regelkreis möglichst einfach zu halten und nur so komplex wie nötig zu gestalten, indem zunächst mit einer begrenzten Anzahl einfacher Module und Methoden begonnen wird. In der kurzgehaltenen Analysephase werden Ziele definiert und der Roboter modelliert, um in der Implementierungsphase schnell zu einer nutzbaren Regelung zu gelangen. Diese wird in der Testphase geprüft. Sobald alle Ziele erfüllt sind, ist eine passende Bahnfolgeregelung entworfen. Die Entwicklungsmethode als zentrales Ergebnis dieser Arbeit wird anhand von drei Anwendungsbeispielen für die drei Lenkungsarten erfolgreich validiert – Traktor, differentialgelenkter Entmistungsroboter und Radlader.
Mobile robots are increasingly being used in industry, in the consumer sector and in agricultural technology. Initial trial phases for robotaxis are being conducted by automotive groups and large technology companies. End consumers can purchase simple to more complex robots to assist in the household and garden. In agriculture, especially in livestock farming, various mobile robots are used to feed the animals and clean the stables. These various fields of application and commercially successful examples suggest that in the future, mobile robots will increasingly be used to transport goods and people on-road and intralogistically, as well as to automate processes in agriculture. Mobile robotics as a scientific discipline deals with algorithms for the navigation of such robots. The main areas are mapping, localisation, environment perception, task and path planning, and path following control. Path-following control steers the robot along a path to the target position with the help of localisation. There are countless publications on this topic, as different controllers as well as algorithms can be used to estimate disturbances and parameters. This diversity is increased by the use of dynamic and kinematic vehicle models as well as the different steering types (Ackermann, differential and articulated steering). To improve process quality, the control point for off-highway vehicles can be located in the tool, such as the bucket of a wheel loader. However, there are few publications on this subject.
In this thesis, a method is developed to handle the complexity in the design of a trajectory following control. To set up this method the different modules of the control loop are investigated: controller, path planning, feedforward, feedforward length, adaptation of speed and control parameters, estimation of disturbance variables and parameters. Any control point along the longitudinal axis of the vehicle and the three steering modes are considered using only kinematic models. They are suitable for off-highway applications due to low speeds. The design method is based on agile software development and consists of three phases: analysis, implementation and test phase. The cycle is iterated through these phases. The idea is to design the control loop only as complex as necessary, so it should start with simple, few modules and methods. The analysis phase is kept short. Here, only the goals are defined and the robot is modelled in order to quickly arrive at a usable control in the implementation phase. It is tested in the test phase. As soon as all goals are fulfilled, a suitable path-following control is designed. The development method as the central result of this thesis is validated successfully by means of three application examples for the three steering types – tractor, differential steered manure removal robot, and wheel loader.
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