Contribution to the modeling and control of mobile robots in presence of stiding : application to path tracking for agricultural vehicles
Contribution à la modélisation et à la commande de robots mobiles en présence de glissement : application au suivi de trajectoire pour les engins agricoles
Résumé
This dissertation addresses the topic of automatic guidance of mobile robots in natural en- vironment In particular path tracking on low adherent ground is investigated with a special focus on the experimental application automatic guidance of farm vehicles relying on a GPS sensor In such conditions the classical hypothesis of pure rolling without sliding is no longer relevant The numerous control laws built on such an hypothesis lead in this case to an important loss of precision unacceptable for the considered application The objective is thus to propose control algorithms making it possible to preserve the accuracy of the path tracking whatever the adherence conditions the configuration of the ground and the shape of the desired reference trajectory The design of relevant and tractable models is first described Because of the complexity in obtaining the parameters required in a dynamic model of vehicle (especially those linked to the tire/ground contact) dynamic models have been rejected for the control purpose Instead two alternative models called "extended kinematic models" have been proposed They allow to describe precisely vehicle performances - including sliding phenomena - with only two parameters to be estimated in real time Moreover such a point of view preserves a kinematic description suitable for the design of control algorithms In order to use these models the on-line estimation of these parameters is necessary It is achieved by two different kinds of estimator The first one relies on a direct calculation of the adherence properties (based on the difference between the actual process and the theoretical one when pure rolling conditions are respected) The second principle consists in observers design In order to apply this concept to the system considered the property of duality between control and observation is used to build robust observation algorithms with respect to the feature of the measurement system Based on these extended models two types of adaptive control scheme are built an Internal Model Adaptive Control as well as an Observer Based Control Both of them make it possible to control the vehicle with a satisfactory precision in steady operations (adherence conditions slowly varying) while preserving the advantages of the nonlinear control design developed for the case of rolling without sliding case In order to preserve the same high level of accuracy even during curvature transitions the delays induced by the low level actuators and the inertia of the vehicle have to be addressed (as they appear to be not inconsiderable in off-road vehicles) A model predictive control is so applied on the vehicle curvature servoing Using a model of the actuator it makes it possible to anticipate the variations of the reference path curvature and consequently to limit the overshoots (observed on tracking error) appearing at these transitions The overall control algorithms developped in this dissertation have been tested through actual experiments on an agricultural vehicle (farm tractor) in partnership with manufacturer CLAAS It appears that with the considered sensor (a GPS with a centimeter precision) the resulting tracking accuracy (included in a range of ± 1cm) is equivalent to the one obtained when the assumption of rolling without sliding is relevant This level of accuracy meets the expectations for driving assistance dedicated to agricultural applications.
La problématique de cette thèse réside dans le guidage automatique de robots mobiles évo- luant en milieu naturel Elle s attache plus particulièrement au suivi de trajectoire pour les véhicules roulant sur des sols présentant une adhérence faible avec comme cadre expérimental privilégié l application au guidage d engins agricoles par GPS Dans de telles conditions l hy- pothèse commune de roulement pur sans glissement ne peut s appliquer Les lois de commande reposant sur une telle hypothèse conduisent ici à une perte de précision inacceptable au regard de l application privilégiée L objectif est alors de proposer des algorithmes de commande per- mettant de conserver la précision du suivi de la trajectoire pour le véhicule quelles que soient les conditions d adhérence la configuration du terrain d évolution et la trajectoire de référence En premier lieu l obtention de modèles pertinents et exploitables est décrite Étant donné la complexité d extraction des paramètres nécessaires à une description dynamique du mouve- ment dans le cadre envisagé (en particulier ceux liés à la description du contact roue/sol) les points de vue dynamique ont été écartés En contrepartie deux modèles alternatifs qualifiés de "modèles cinématiques étendus" sont proposés Ceux-ci permettent de décrire de façon précise le comportement du véhicule - comprenant le phénomène de glissement - tout en réduisant à deux le nombre de paramètres devant être estimés en ligne En outre ces modèles préservent une description cinématique compatible avec des principes de commande bien maîtrisés Afin d exploiter ces modèles il est nécessaire de procéder à l estimation en ligne des para- mètres décrits précédemment Deux types d estimateur sont décrits dans ce mémoire Le premier repose sur un calcul direct des propriétés d adhérence (basé sur la diférence entre les sorties mesurées du processus et celles estimées par un modèle négligeant les glissements) Le second principe repose sur la notion d observateur Afin d appliquer cette notion au système envisagé la propriété de dualité entre commande et observation est exploitée pour construire un algorithme d observation robuste vis-à-vis des problèmes liés au système de mesure En s appuyant sur ces modèles étendus deux types de commande adaptative sont construits une loi de commande adaptative à modèle interne ainsi qu une loi de commande référencée observateur Celles-ci permettent de guider le véhicule avec une précision satisfaisante en régime permanent (conditions d adhérence lentement variables) tout en tirant parti des principes non linéaires développés dans le cas où l hypothèse de roulement sans glissement est acceptable Afin de conserver ce niveau de précision y compris durant les phases transitoires de courbure il est nécessaire de prendre en compte les retards actionneurs et inertiels - non négligeables pour les types de véhicule considérés Une loi de commande prédictive à modèle a été mise en place pour assurer l asservissement de courbure Utilisant un modèle de l actionneur celle-ci permet d anticiper les virages et par conséquent de limiter les dépassements durant ces périodes L ensemble des schémas de commande proposés dans ce mémoire a été testé au travers d ex- périmentations réelles sur un véhicule agricole (tracteur) en partenariat avec le constructeur de machines agricoles CLAAS Il apparaît alors qu avec le capteur utilisé (GPS centimétrique) l erreur de suivi est équivalente à la valeur obtenue dans le cas où l hypothèse de roulement sans glissement est applicable (±15cm) conforme aux attentes de l agriculture en matière d aide à la conduite.