شماره ركورد
34362
پديد آورنده
كيميا خاكباز
عنوان
طراحي كنترلكننده پيشبين مدل غيرخطي(NMPC) به منظور اجتناب از برخورد با موانع براي ربات چرخدار-راهرونده
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي مكانيك - طراحي كاربردي 2
سال تحصيل
1401
تاريخ دفاع
1404/07/29
استاد راهنما
دكتر محرم حبيب نژاد كورايم
استاد مشاور
ندارد
دانشكده
مكانيك
چكيده
در اين پاياننامه، هدف طراحي و پيادهسازي الگوريتمي كارا براي برنامهريزي و رديابي مسير ربات چرخدار–راهرونده در حضور موانع ايستا و پويا است. در گام نخست، مسئلهي رديابي مسير مرجع معلوم با استفاده از كنترلر پيشبين مدل غيرخطي بهمنظور جلوگيري از برخورد با موانع بررسي شده است. در گام دوم، برنامهريزي و رديابي مسير بدون مسير مرجع از پيش تعيينشده با بهرهگيري از تركيب الگوريتمهاي RRT* و PSO و كنترلر NMPC انجام شده است. در روش پيشنهادي، برنامهريزي مسير جهاني توسط الگوريتم تركيبي RRT*_PSO انجام ميشود؛ بهطوري كه مسير اوليه با RRT* در فضاي كاري شناختهشده، توليد و سپس با PSO از نظر طول مسير، همواري مسير و حاشيهي ايمني نسبت به موانع بهينهسازي ميگردد. در ادامه، كنترلر پيشبين مدل غيرخطي نقش برنامهريزمحلي و رديابي مسير را بر عهده دارد تا در محيطهاي پويا و در مواجهه با تغيير موقعيت موانع، مسير بهينهي محلي جديد را در هر لحظه پيشبيني و دنبال كند. استفاده از كنترلر NMPC به دليل قابليت آن در مدلسازي رفتار غيرخطي ربات، در نظر گرفتن قيود حركتي و پيشبيني رفتار آيندهي سيستم، باعث افزايش دقت و پايداري رديابي در شرايط پيچيده و پويا ميشود.
نتايج شبيهسازي نشان ميدهند كه ربات در مسير دايرهاي بدون مانع، مسير را با خطاي ميانگين 0.014 متر طي كرده است. در حضور مانع متحرك، فاصله ربات تا مسير مرجع به 0.08 متر افزايش يافته تا ربات مانع را دور بزند و سپس به مسير مطلوب برگشته است. همچنين، الگوريتم تركيبي RRT*_PSO باعث كاهش زمان اجراي الگوريتم به اندازه قابل توجهي نسبت به PSOتنها شدهاست. در آزمايشهاي تجربي بر روي نمونهي واقعي ربات چرخدار–راهرونده، مسير دايرهاي بدون مانع با خطاي 0.041 متر، مسير مستقيم بدون مانع با خطاي 0.008 متر و مسير مستقيم همراه با مانع با خطاي 0.042 متر طي شده است. نتايج نشان ميدهند كه روش تركيبي پيشنهادي با تركيب برنامهريزي جهاني مبتني بر RRT*_PSO و NMPC، عملكردي ايمن، هموار و سريع را در محيطهاي سهبعدي و دو بعدي پيچيده فراهم ميكند.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/10/23
عنوان به انگليسي
Design of a Non-Linear Model Predictive Controller(NMPC) to Prevent Collisions with Wheel-legged Robot
تاريخ بهره برداري
10/21/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
كيميا خاكباز
چكيده به لاتين
The objective of this thesis is to design and implement an efficient algorithm for path planning and path tracking of a wheel–legged robot in the presence of static and dynamic obstacles. In the first stage, the problem of tracking a known reference path using a Nonlinear Model Predictive Controller (NMPC) is investigated in order to prevent collisions with obstacles. In the second stage, global path planning and tracking without a predefined reference path are addressed through the integration of the RRT* and PSO algorithms together with NMPC. In the proposed approach, global path planning is performed by the hybrid RRT*_PSO algorithm, where an initial path is generated in the known workspace using RRT*, and subsequently optimized by PSO with respect to path length, smoothness, and safety margins from obstacles. Thereafter, the nonlinear model predictive controller functions as a local planner and trajectory tracker, continuously predicting and following a new locally optimal path in dynamic environments and under obstacle motion. The use of NMPC enhances tracking accuracy and closed-loop stability in complex dynamic conditions due to its ability to model nonlinear robot behavior, incorporate motion constraints, and predict the future evolution of the system.
Simulation results demonstrate that the robot successfully follows a circular obstacle-free path with a mean tracking error of 0.014 m. In the presence of a moving obstacle, the deviation from the reference path increases to 0.08 m to allow obstacle avoidance, after which the robot smoothly returns to the desired trajectory. Furthermore, the hybrid RRT_PSO algorithm significantly reduces computational time compared with using PSO alone. Experimental validation on a real wheel-legged robotic platform shows a tracking error of 0.041 m for a circular obstacle-free path, 0.008 m for a straight obstacle-free path, and 0.042 m for a straight path with an obstacle. Overall, the results confirm that the proposed hybrid framework, combining global RRT*_PSO-based planning with NMPC, provides safe, smooth, and efficient performance in complex two-dimensional and three-dimensional environments.
كليدواژه هاي فارسي
ربات چرخدار-راهرونده , كنترلكننده پيشبين مدل غيرخطي , عدم برخورد با موانع , برنامهريزي و رديابي مسير , الگوريتم RRT*_PSO
كليدواژه هاي لاتين
wheel-legged robot , nonlinear model predictive controller (NMPC) , obstacle avoidance , Path planning and tracking , Hybrid RRT*_PSO algorithm
Author
kimia khakbaz
SuperVisor
Prof. M. Habibnejad Korayem