Modelling and control of wheeled mobile robots

Problém řízení kolových podvozků nepatří pouze do oblasti mobilní robotiky. Můžeme se s ním setkat spíše v souvislosti s dopravou nebo transportem, ať na velké nebo malé vzdálenosti. Tato práce modeluje a zkoumá mobilní podvozky pomocí kinematiky. Kinematické modely nejsou přesné při velkých rychlostech. Za to tam, kde je požadován pomalý, autonomní pohyb robota, kinematický model dostatečně přesně charakterizuje skutečný robotický systém. Oproti dynamickým modelům je jejich návrh a implementace také jednodušší. První část práce je věnována základnímu popisu pohybu robota v rovině. Na tu navazuje popis a charakteristika pěti v robotice nejčastěji používaných typů kol – standardní pevné, standardní řízené, vlečné, mnohosměrové a všesměrové. U každého typu kola jsou odvozeny podmínky, při jejichž splnění se kolo z kinematického hlediska může pohybovat. Dále jsou popsány 2 metody návrhu modelu mobilního robota – úplná, generická. Podle těchto metod je navrženo a popsáno 6 typů mobilních robotů s rozdílnými pohybovými schopnostmi. Poslední a nejrozsáhlejší část práce tvoří simulační model vytvořený v prostředí Matlab/Simulink. Obsahuje uživatelské rozhraní, které umožňuje konfiguraci libovolného podvozku a jízdu po různých trajektoriích. Lze tak vizuálně ohodnotit a klasifikovat různé typy podvozků. Podstata práce patří do oblasti odometrie, tedy transformace výstupu senzorů rychlostí a natočení kol do pozice robota v souřadném systému popisující jeho pracovní prostor. Vytvořený simulátor jako celek pouze modeluje pohyb mobilního robota v rovině. Jeho vnitřní kostra je ovšem postavena na algoritmech, které by v praxi bylo možné použít pro řízení skutečných mobilních robotů.Control of wheeled chassis does not constitute a problem in the area of mobile robotic solely. Rather, it can be encountered in transportation, both at close range and long range. In this thesis, mobile chassis are characterized as kinematic models. These models prove to be erroneous at high speed, whereas they sufficiently accurately represent the real robotic system in situations when slow, autonomous motion of the robot is desired. In comparison with dynamic models, both their project and implementation are simpler, too. The first part of this thesis is focused on a basic description of the motion of a robot in-plane. In the next part, five, most frequently used wheels in robotics are described and characterized - standard fixed wheels, standard steering wheels, castor wheels, multidirectional wheels and omnidirectional wheels. The motion conditions are deduced from each type of wheel. There are two methods of projecting the mobile robot model – full modelling and generic modelling. Based on these two methods, six models of mobile robots with different motion properties are proposed and described. The last and most extensive part of this thesis deals with simulator of robot motion created in Matlab/Simulink. It includes users guide which allows the configuration of random chassis and various trajectories of motion. In this way, it is possible to visually evaluace and classify the the different types of robots. The core of this thesis is largely connected with the field of odometry – i.e. transformation output from speed sensor and turning of wheels sensor into the robot position in the system of coordinates that defines its working space. Simulator as complex only model motion of mobile robots in plain. Its inside structure included algoritms, that have been used in praxis for control real mobile robots. In this way created Simulator models the motion of mobile robots in-plain only. However, its inside structure is based on algorithms, that could be used for control of real mobile robots in real-life working.