Nonlinear Optimal Control for the Wheeled Inverted Pendulum System

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Título: Nonlinear Optimal Control for the Wheeled Inverted Pendulum System
Autor/es: Rigatos, Gerasimos | Busawon, Krishna | Pomares, Jorge | Abbaszadeh, Masoud
Grupo/s de investigación o GITE: Human Robotics (HURO)
Centro, Departamento o Servicio: Universidad de Alicante. Departamento de Física, Ingeniería de Sistemas y Teoría de la Señal
Palabras clave: Wheeled inverted pendulum | Nonlinear optimal control | H-infinity control | Approximate linearization | Taylor series expansion | Jacobian matrices | Riccati equation | Lyapunov analysis | Global stability
Área/s de conocimiento: Ingeniería de Sistemas y Automática
Fecha de publicación: ene-2020
Editor: Cambridge University Press
Cita bibliográfica: Robotica. 2020, 38(1): 29-47. doi:10.1017/S0263574719000456
Resumen: The article proposes a nonlinear optimal control method for the model of the wheeled inverted pendulum (WIP). This is a difficult control and robotics problem due to the system’s strong nonlinearities and due to its underactuation. First, the dynamic model of the WIP undergoes approximate linearization around a temporary operating point which is recomputed at each time step of the control method. The linearization procedure makes use of Taylor series expansion and of the computation of the associated Jacobian matrices. For the linearized model of the wheeled pendulum, an optimal (H-infinity) feedback controller is developed. The controller’s gain is computed through the repetitive solution of an algebraic Riccati equation at each iteration of the control algorithm. The global asymptotic stability properties of the control method are proven through Lyapunov analysis. Finally, by using the H-infinity Kalman Filter as a robust state estimator, the implementation of a state estimation-based control scheme becomes also possible.
Patrocinador/es: This work has been part of the 2016–2019 Research Cooperation Agreement between the Industrial Systems Institute (Unit of Industrial Automation) and the University of Northumbria (Nonlinear Control Group) under the title “Nonlinear Control and Filtering."
URI: http://hdl.handle.net/10045/100000
ISSN: 0263-5747 (Print) | 1469-8668 (Online)
DOI: 10.1017/S0263574719000456
Idioma: eng
Tipo: info:eu-repo/semantics/article
Derechos: © Cambridge University Press 2019
Revisión científica: si
Versión del editor: https://doi.org/10.1017/S0263574719000456
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