Modeling and Control of a Four-wheel Autonomous Agricultural Robot

Abstract

Denne masteroppgaven utvikler et hierarkisk kontrollsystem for en 4-hjul-individuelt-styrt (4WIS) bil, som blir laget av det norske landbruksoppstartsselskapet AutoAgri. Et nytt type kontrollsystem som tillater simultan kontroll av kurs og yawrate blir foreslått. Denne kontrolleren bruker egenskaper unikt for 4WIS biler, og forbedrer eksisterende kontrollere ved å forene standard kjøremoduser inn i ett rammeverk. Ved å forene kjøremodusene, fjernes behovet for diskontinuerlig modus-bytting og modus-seleksjonslogikk. En robust hjulstyringsvinkel-kontroller blir utviklet ved å bruke sliding-mode kontroll (SMC). Kontrollsystemene er utviklet og integrert med Robot Operating System 2 (ROS2), og de blir testet med Gazebo for å simulere bilen. For å demonstrere funksjonaliteten til systemet, så utviklet vi guiding- og manuell-kontrollsystemer. Guiding systemet bruker veipunkter for å generere en bane med kontinuerlig kurvatur, og vektorfelt for å styre kursen til bilen langs banen. I manuell kontroll blir bilen styrt av en menneskelig operatør ved hjelp av en joystick.

Det foreslåtte kontrollsystemet er i stand til å håndtere et variert antall tilfeller og noen umodellerte forstyrrelser. Det har et problem med chatter, altså høy-frekvente oscillasjoner, i hjulstyringsvinkel-kontrolleren som må bli addressert før kontrollsystemet kan bli tatt i bruk, men flere strategier for å redusere det blir diskutert.

This master thesis develops a hierarchical control system for a 4-wheel-individual-steering (4WIS) vehicle, which is being created by the Norwegian agricultural startup AutoAgri. A novel controller which allows simultaneous control of course and yawrate is proposed. This controller uses the unique features of 4WIS vehicles, and improves upon the existing 4WIS controllers by unifying standard 4WIS driving-modes vehicles into a single framework. By unifying the driving-modes, it removes the need 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 Operating System 2 (ROS2), and they are tested using Gazebo to simulate the vehicle. To demonstrate the functionality of the system, we developed guidance and manual control systems. The guidance system uses waypoints to generate a continuous curvature path, and applies vector field guidance to control the course of the vehicle. In the manual control system, the vehicle is controlled by a human operator using a joystick input device.

The proposed control system is capable of handling a wide variety of cases and some unmodelled disturbances. There is a problem with chatter in the steering angle SMC which needs to be addressed before the control system can be applied in practice, but several strategies to reduce this are discussed.