Modeling and Control of a Four-wheel Autonomous Agricultural Robot
Abstract
Denne masteroppgaven utvikler et hierarkisk kontrollsystem for en4-hjul-individuelt-styrt (4WIS) bil, som blir laget av det norskelandbruksoppstartsselskapet AutoAgri. Et nytt type kontrollsystem somtillater simultan kontroll av kurs og yawrate blir foreslått. Dennekontrolleren bruker egenskaper unikt for 4WIS biler, og forbedrer eksisterendekontrollere ved å forene standard kjøremoduser inn i ett rammeverk. Ved åforene kjøremodusene, fjernes behovet for diskontinuerlig modus-byttingog modus-seleksjonslogikk.En robust hjulstyringsvinkel-kontroller blir utviklet ved å brukesliding-mode kontroll (SMC). Kontrollsystemene er utviklet og integrertmed Robot Operating System 2 (ROS2), og de blir testet med Gazebofor å simulere bilen.For å demonstrere funksjonaliteten til systemet, så utviklet viguiding- og manuell-kontrollsystemer. Guiding systemet brukerveipunkter for å generere en bane med kontinuerlig kurvatur, ogvektorfelt for å styre kursen til bilen langs banen.I manuell kontroll blir bilen styrt av en menneskelig operatør vedhjelp av en joystick.
Det foreslåtte kontrollsystemet er i stand til å håndtere etvariert antall tilfeller og noen umodellerte forstyrrelser.Det har et problem med chatter, altså høy-frekvente oscillasjoner,i hjulstyringsvinkel-kontrolleren som må bli addressert før kontrollsystemetkan bli tatt i bruk, men flere strategier for å redusere det blirdiskutert. This master thesis develops a hierarchical control system for a4-wheel-individual-steering (4WIS) vehicle, which is being created by theNorwegian agricultural startup AutoAgri. A novel controllerwhich allows simultaneous control of course and yawrate is proposed.This controller uses the unique features of 4WIS vehicles, and improves uponthe existing 4WIS controllers by unifying standard 4WIS driving-modesvehicles into a single framework. By unifying the driving-modes, it removes theneed for discountinuous mode switching and mode-selection logic.A robust steering angle controller is developed using sliding-mode control(SMC). The control systems are developed and integrated using Robot OperatingSystem 2 (ROS2), and they are tested using Gazebo to simulate the vehicle. Todemonstrate the functionality of the system, we developed guidance and manualcontrol systems. The guidance system uses waypoints to generate acontinuous curvature path, and applies vector field guidance to control thecourse of the vehicle. In the manual control system, the vehicle is controlledby a human operator using a joystick input device.
The proposed control system is capable of handling a wide variety of casesand some unmodelled disturbances. There is a problem with chatter in thesteering angle SMC which needs to be addressed before the control system canbe applied in practice, but several strategies to reduce this are discussed.