Dribbling Control of an Omnidirectional Soccer Robot

Abstract

This thesis is concerned with motion control of omnidirectional robots. From developing a robot control system to designing different controllers, this thesis focuses on achieving high control performance with consideration of important issues, such as actuator dynamics, actuator saturation and constraints of robot systems. As a testbed, the motion control of an omnidirectional robot of the Tübingen Attempto robot soccer team, especially the ball dribbling control of the soccer robot, has been considered in this thesis.

Before designing motion control methods, a control system combining dynamics and kinematics is adopted for the Attempto soccer robot. This architecture allows to design and test low-level controllers according to the dynamic model and high-level controllers based on the kinematic model separately. Taking actuator saturation and actuator dynamics into account, the proposed control system builds a foundation to design high-level controllers with consideration of the low-level system's performance.

Based on the robot control system, path following and orientation tracking problems of omnidirectional robots are addressed in this thesis. Since these two problems are all formulated in the form of error kinematics, the designed nonlinear controllers in this thesis can be applied to other omnidirectional robots. In order to improve the control performance and satisfy constraints of the robot system, Nonlinear Model Predictive Control (NMPC) was employed to solve the motion control problem of the omnidirectional robot. The designed NMPC scheme guarantees closed-loop stability. With the selected numerical solutions, the results of real-world experiments show the feasibility of applying NMPC on a fast moving omnidirectional robot and better control performance compared to the designed nonlinear controllers.

With respect to the dribbling control problem, this thesis focuses on two problems: ball tracking and ball dribbling. A robust H infinity filter is first developed to estimate the ball's relative position and velocity with respect to a soccer robot when the ball is pushed by the robot. The relative position denotes whether the ball is moving away and results in changing the robot behaviors of ball dribbling and ball catching. To achieve good ball dribbling, an analytical dribbling control strategy has been developed. With the analysis of the ball's movement relative to the robot, a sufficient constraint for keeping the ball is deduced, which gives clues to choose the desired robot orientations. Then the dribbling task is achieved by controlling a reference point denoting the desired ball's center to follow a planned path and steering the robot orientation to track the desired one. This dribbling control strategy is fulfilled with the proposed nonlinear motion control method and the NMPC scheme. Real-world experiments show the high performance and efficiency of the dribbling control method.

Die Arbeit behandelt die Regelung der Bewegung eines omnidirektionalen Roboters. Unter Berücksichtigung der Dynamik und Sättigung des Antriebs, werden ein Regelungssystem und Regler mit hoher Güte entwickelt. Als Testumgebung wird die Bewegungsregelung eines Roboters aus dem Tübingen Attempto Roboter Fußball Team, insbesondere die Regelung des Roboters den Ball zu dribbeln, vorgestellt.

Um Methoden zur Bewegungsregelung vozustellen, wird ein Regelungssystem angenommen, das auf die Kinematik und Dynamik des Attempto Fußballroboters basiert. Diese Architektur ermöglicht die separate Entwicklung und das Testen von low-level Reglern für das Dynamik-Modell und high-level Regler für das Kinematik-Modell. In Anbetracht der Dynamik und Auslastung des Antriebs, bildet das Regelsystem eine Basis für das Design von high-level Reglern, die die Güte des low-level Systems miteinbeziehen.

Auf das Regelungssystem des Roboters basierend, wird in dieser Arbeit die Pfadplanung und die Regelung der Orientierung behandelt. Beide Probleme sind so behandelt, dass sie auch auf andere omnidirektionale Robotersysteme anwendbar sind. Um die Reglergüte zu erhöhen und den Einschränkungen des omnidirektionalen Robotersystems gerecht zu werden, wurde Nonlinear Model Predictive Control (NMPC) eingesetzt. Das entwickelte NMPC-System garantiert die Stabilität des geschlossen Regelkreises. Die Ergebnisse der experimentellen Validierung ausgewählter numerischer Algorithmen beweist die Anwendbarkeit von NMPC auf sich schnell bewegenden omnidirektionalen Robotern bei verbesserter Performanz im Vergleich zu den entwickelten nichtlinearen Reglern.

In Bezug auf die Regelung des Roboters den Ball zu dribbeln, konzentriert sich diese Arbeit auf zwei Probleme, Ball Tracking und das Dribbeln des Balls. Zunächst wird ein robuster H infinity Filter wird erstellt, um die relative Position und Geschwindigkeit zwischen dem Roboter und dem Ball zu schätzen. Diese relative Information zeigt, ob sich der Ball vom Roboter entfernt und wechselt das Verhalten des Roboters in Ball dribbeln oder Ball annnehmen. Um den Ball verlässlich zu dribbeln, wurde eine analytische Regelungsstrategie angewendet. Durch die Analyse der relativen Bewegung des Balls zum Roboter konnten Bedingungen formuliert werden, den Ball zu führen und eine bestimmte Orientierung einzunehmen. Das Dribbeln wird durch die Regelung eines Referenzpunktes erreicht, der den gewünschten Mittelpunkt des Balls angibt und einen geplanten Pfad folgt, den der Roboter mit gewünschter Orientierung verfolgt. Diese Dribbelregelung wird durch die vorgestellte nichtlineare Bewegungsregelung und das NMPC-System erreicht. Experimentelle Ergebnisse zeigen die große Performanz und die Effizienz der Dribbelregelung.