Optymalizacja systemu sterowania napędami elektrycznymi oraz układu zawieszenia robota kołowo-kroczącego z wykorzystaniem algorytmu Grey Wolf Optimizer

• Autorzy: Malarczyk Mateusz , Stanisławski Radosław , Żychlewicz Mateusz , Szrek Jarosław , Kamiński Marcin

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2023.05.27

Warianty tytułu

EN

Optimisation of the control system of the electrical drives and suspension applied in wheel-legged robot using the Grey Wolf Optimizer algorithm

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Artykuł przedstawia system sterowania napędami elektrycznymi wbudowanymi w robota kołowo-kroczącego o 14 stopniach swobody. Przedstawiona została problematyka sterowania oraz dobór napędów do realizacji określonych funkcji, które wynikają z charakterystyki sterowania robotem. Ponadto opisano nowatorskie podejście do syntezy geometrycznej układu mechanicznego zawieszenia (celem jest odtwarzanie zadanej trajektorii przy użyciu tylko jednego napędu). Przytoczona została również problematyka projektowania regulatora prędkości układu. Optymalizacja wymienionych elementów została wykonana za pomocą algorytmu Grey Wolf Optimizer (GWO).

EN

The paper presents the control system of the electrical drives implemented in the wheel-legged robot with 14 degrees of freedom. The issues related to the control and the selection of hardware is considered. Moreover, the geometric synthesis of the mechanical system was presented (for reference trajectory tracking using one drive only). The second task was focused on the speed controller optimization. For mentioned purposes, the Grey Wolf Optimizer (GWO) was applied.

Słowa kluczowe

PL

sterowanie polowo-zorientowane FOC; algorytm GWO; optymalizacja; BLDC; robot kołowo-kroczący

EN

field oriented control; grey wolf optimizer; optimization; BLDC motor; wheel-legged robot

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2023
• Tom: R. 99, nr 5
• Strony: 149--155
• Opis fizyczny: Bibliogr. 37 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Malarczyk Mateusz

• Politechnika Wrocławska, Wydział Elektryczny, Katedra Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, ul. Smoluchowskiego 19, 50-372 Wrocław

• https://orcid.org/0000-0003-1477-8385

autor

Stanisławski Radosław

• Politechnika Wrocławska, Wydział Elektryczny, Katedra Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, ul. Smoluchowskiego 19, 50-372 Wrocław

• https://orcid.org/0000-0003-4739-2948

autor

Żychlewicz Mateusz

• Politechnika Wrocławska, Wydział Elektryczny, Katedra Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, ul. Smoluchowskiego 19, 50-372 Wrocław

• https://orcid.org/0000-0003-1608-3333

autor

Szrek Jarosław

• Politechnika Wrocławska, Wydział Mechaniczny, Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn i Układów Mechatronicznych, ul. Łukasiewicza 7/9, 50-371 Wrocław

• https://orcid.org/0000-0002-2067-4577

autor

Kamiński Marcin

• Politechnika Wrocławska, Wydział Elektryczny, Katedra Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, ul. Smoluchowskiego 19, 50-372 Wrocław

• https://orcid.org/0000-0002-8472-1053

Bibliografia

• [1] Grau A., Indri M., Bello L.L., Sauter T.: Industrial robotics in factory automation: From the early stage to the Internet of Things, IECON 2017 - 43rd Annual Conference ofthe IEEE Industrial Electronics Society, pp. 6159-6194, 2017, doi:10.1109/IECON.2017.8217070.
• [2] Wang X., Zheng L.: Design of multi-robot cooperative transport system, 2022 7th International Conference on Intelligent Computing and Signal Processing (ICSP), pp. 1370-1373, 2022, doi:10.1109/ICSP54964.2022.9778805.
• [3] Culler D., Long J.: A prototype smart materials warehouse application implemented using custom mobile robots and open source vision technology developed using EmguCV, Procedia Manufacturing, Vol. 5, 2016, pp. 1092-1106, doi:https://doi.org/10.1016/j.promfg.2016.08.080.
• [4] Cardona M., Palma A., Manzanares J.: COVID-19 pandemic impact on mobile robotics market, 2020 IEEE ANDESCON, pp. 1-4, 2020, doi:10.1109/ANDESCON50619.2020.9272052.
• [5] Park, H., Kim, S., Park, N., Yang, H., Park, Y., Kim, S., Kang, Y.: Design of tracked vehicle with passive mechanism for uneven terrain, 2006 SICE-ICASE International Joint Conference, pp. 3132-3136, 2006, doi:10.1109/sice.2006.314818.
• [6] Yang W.-S., Lu W.-C., Lin P.-C.: Legged robot running using a physics-data hybrid motion template, IEEE Transactions on Robotics, Vol. 37(5), pp. 1680-1695, 2021, doi:10.1109/tro.2021.3065241.
• [7] Semini C., Wieber P.-B.: Legged robots, Encyclopedia of Robotics, Springer, pp. 1-11, 2020, doi:https://doi.org/10.1007/978-3-642-41610-1_59-1.
• [8] Li M., Jiang Z., Wang P.: Control of a quadruped robot with bionic springy legs in trotting gait, Journal of Bionic Engineering, Vol. 11, No. 2, pp. 188-198, 2014, doi:https://doi.org/10.1016/S1672-6529(14)60043-3.
• [9] Hutter M., Gehring C.,Lauber A., Gunther F., Bellicoso C.D., Tsounis V., Fankhauser P., Diethelm R., Bachmann S., Bloesch M., Kolvenbach H., Bjelonic M., Isler L., Meyer K.: ANYmal - toward legged robots for harsh environments, Advanced Robotics, Vol. 31, No. 17, pp. 918-931, 2017, doi:10.1080/01691864.2017.1378591.
• [10] Wang S., Cui L., Zhang J., Lai J., Zhang D., Chen K., Zheng Y., Zhang Z., Jiang Z.P.: Balance control of a novel wheel-legged robot: design and experiments, 2021 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), pp. 6782-6788, 2021, doi:10.1109/ICRA48506.2021.9561579.
• [11] Cui Z., Xin Y., Liu S., Rong X., Li Y.: Modeling and control of a wheeled biped robot, Micromachines, Vol. 13, No. 747, 2022, doi:https://doi.org/10.3390/mi13050747.
• [12] Sakama S., Tanaka Y., Kamimura A.: Characteristics of hydraulic and electric servo motors, Actuators, Vol. 11, No. 11, 2022, doi:https://doi.org/10.3390/act11010011.
• [13] Neß W., Raggl K.: E-motor types for secondary electric drives in comparison, MTZ Worldw, Vol. 83, pp. 40-45, 2022, doi:https://doi.org/10.1007/s38313-021-0755-7.
• [14] Attaianese C., Pagano E., Perfetto A.: Guide to the selection of electric actuators for applications in robotics, 5th International Conference on Advanced Robotics ’Robots in Unstructured Environments, pp. 1578-1581, 1991, doi:10.1109/ICAR.1991.240506.
• [15] Hanschek A.J., Bouvier Y.E., Jesacher E., Grbovic P.J.: Analysis and comparison of power distribution system to pologies for low-voltage DC–DC automated guided vehicle applications, Energies, Vol. 15, No. 6, 2022, doi:https://doi.org/10.3390/en15062012.
• [16] Dong C., Yu Z., Chen X., Chen H., Huang Y., Huang Q.: Adaptability control towards complex ground based on Fuzzy Logic for humanoid robots, IEEE Transactions on Fuzzy Systems, Vol. 30, No. 6, pp. 1574-1584, 2022, doi:10.1109/TFUZZ.2022.3167458.
• [17] Savsani P., Jhala R.L., Savsani V.J.: Comparative study of different metaheuristics for the trajectory planning of a robotic arm, IEEE Systems Journal, Vol. 10, No. 2, pp. 697-708, 2016, doi:10.1109/JSYST.2014.2342292.
• [18] Chen X., He J.: Cooperative planning of dual arm robot based on Improved Particle Swarm Optimization, 2021 IEEE 3rd International Conference on Civil Aviation Safety and Information Technology (ICCASIT), pp. 632-635, 2021, doi:10.1109/ICCASIT53235.2021.96335252.
• [19] Homchanthanakul J., Manoonpong P.: Continuous online adaptation of bioinspired adaptive neuroendocrine control for autonomous walking robots, IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems, Vol. 33, No. 5, pp. 1833-1845, 2022, doi:10.1109/TNNLS.2021.3119127.
• [20] Fahmizal, Kuo C.: Development of a fuzzy logic wall following controller for steering mobile robots, 2013 International Conference on Fuzzy Theory and Its Applications (iFUZZY), pp. 7-12, 2013, doi:10.1109/iFuzzy.2013.6825401.
• [21] Yang X.-S.: Nature-inspired optimization algorithms, Elsevier, 2014.
• [22] Knypinski L., Paweloszek K., Le Menach Y.: Optimization of low-power line-start PM Motor using Gray Wolf Metaheuristic Algorithm, Energies, Vol. 13, No. 1186, 2020, doi:https://doi.org/10.3390/en13051186.
• [23] Knypinski L.: Constrained optimization of line-start PM motor based on the Gray Wolf Optimizer, Eksploatacja i Niezawodnosc – Maintenance and Reliability, Vol. 23, No. 1, pp. 1-10, 2021.
• [24] Jiregna I.,Sirata G.: A review of the vehicle suspension system, Journal of Mechanical and Energy Engineering, Vol. 4(44), No. 2, pp. 109-114, 2020, doi:10.30464/jmee.2020.4.2.109.
• [25] Szrek J.: Method of synthesizing mobile wheel-legged robot, 20th Research-Educational Conference in Theory of Machines, Vol. 1, pp. 207-213, 2006,
• [26] Sperzynski P., Szrek J., Gronowicz A.: Synteza geometryczna mechanizmu realizującego trajektorię prostoliniow ˛a ocechowaną, Acta mechanica et automatica, Vol. 4, No. 2, 2010, pp. 124-129.
• [27] Mach V., Kovar S., Valouch J., Adamek M.: Brushless DC motor control on Arduino platform, Przegl ˛ad Elektrotechniczny, Vol. 94, No. 11, pp. 105-107, 2018, doi:10.15199/48.2018.11.24.
• [28] Krykowski K.: Silnik PM BLDC w nap ˛edzie elektrycznym analiza, właściwości, modelowanie, Wydawnictwo Politechniki Sląskiej Gliwice 2011.
• [29] Gamazo-Real J.C., Vázquez-Sánchez E., Gómez-Gil J.: Position and speed control of Brushless DC motors using sensorless techniques and application trends, Sensors, Vol. 10, No.7, pp. 6901-6947, 2010, doi:https://doi.org/10.3390/s100706901.
• [30] Goryca Z.: Bezszczotkowe silniki prądu stałego : konstrukcje i sterowanie, Automatyka, Elektryka, Zakłócenia, Vol. 4, No.3, pp. 56-63, 2013.
• [31] Mousmi A., Abbou A., El Houm Y.: Trapezoidal control of Brushless DC motor based on DSP F28335, 2017 International Conference on Wireless Technologies, Embedded and Intelligent Systems (WITS), pp. 1-5, 2017, doi:10.1109/WITS.2017.7934602.
• [32] Kolano, K., Drzymała, B., G ˛eca, J. Sinusoidal Control of a Brushless DC Motor with Misalignment of Hall Sensors, Energies, Vol. 14, No. 3485, 2021. doi:https://doi.org/10.3390/en14133845
• [33] Sharma P.K., Sindekar A.S.: Performance analysis and comparison of BLDC motor drive using PI and FOC, 2016 International Conference on Global Trends in Signal Processing, Information Computing and Communication, pp. 485-492, 2016, doi:10.1109/ICGTSPICC.2016.7955350.
• [34] Ozturk S.B., Toliyat H.A.: Direct Torque Control of Brushless DC Motor with Non-sinusoidal Back-EMF, IEEE International Electric Machines & Drives Conference, pp. 165-171, 2017, doi:10.1109/IEMDC.2007.383571.
• [35] Hao C.K., Mayer N.M.: Real-time SLAM using an RGBD camera for mobile robots, 2013 CACS International Automatic Control Conference (CACS), pp. 356-361, 2013, doi:10.1109/CACS.2013.6734160.
• [36] Nickels K., Gassaway J., Bries M., Anthony D., Fiorani G.W.: Persistent mapping of sensor data for mediumterm autonomy, Sensors, Vol. 22, No. 14(5427), 2022, doi:https://doi.org/10.3390/s22145427.
• [37] Malarczyk M., Tapamo J.-R., Kaminski M.: Application of neural data processing in autonomous model platform — a complex review of solutions, design and implementation, Energies, Vol. 15, No. 4766, 2022, doi:https://doi.org/10.3390/en15134766

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).