<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.3 20210610//EN" "JATS-journalpublishing1-3.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="1.3" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xml:lang="ru"><front><journal-meta><journal-id journal-id-type="publisher-id">novtexmech</journal-id><journal-title-group><journal-title xml:lang="ru">Мехатроника, автоматизация, управление</journal-title><trans-title-group xml:lang="en"><trans-title>Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie</trans-title></trans-title-group></journal-title-group><issn pub-type="ppub">1684-6427</issn><issn pub-type="epub">2619-1253</issn><publisher><publisher-name>Commercial Publisher «New Technologies»</publisher-name></publisher></journal-meta><article-meta><article-id pub-id-type="doi">10.17587/mau.25.320-331</article-id><article-id custom-type="elpub" pub-id-type="custom">novtexmech-1571</article-id><article-categories><subj-group subj-group-type="heading"><subject>Research Article</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="section-heading" xml:lang="ru"><subject>ДИНАМИКА, БАЛЛИСТИКА, УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="section-heading" xml:lang="en"><subject>DYNAMICS, BALLISTICS AND CONTROL OF AIRCRAFT</subject></subj-group></article-categories><title-group><article-title>Формирование эталонных траекторий для беспилотных колесных платформ с учетом ограничений на скорость, ускорение и рывок</article-title><trans-title-group xml:lang="en"><trans-title>Generation of Smooth Reference Trajectories for Unmanned Wheeled Platforms Considering Automatic Constraints On Velocity, Acceleration and Jerk</trans-title></trans-title-group></title-group><contrib-group><contrib contrib-type="author" corresp="yes"><name-alternatives><name name-style="eastern" xml:lang="ru"><surname>Кокунько</surname><given-names>Ю. Г.</given-names></name><name name-style="western" xml:lang="en"><surname>Kokunko</surname><given-names>J. G.</given-names></name></name-alternatives><bio xml:lang="ru"><p>науч. сотр.</p><p>г. Москва</p></bio><bio xml:lang="en"><p>Kokunko Julia G., Researcher</p><p>Moscow, 117997</p></bio><email xlink:type="simple">juliakokunko@gmail.com</email><xref ref-type="aff" rid="aff-1"/></contrib><contrib contrib-type="author" corresp="yes"><name-alternatives><name name-style="eastern" xml:lang="ru"><surname>Краснова</surname><given-names>С. А.</given-names></name><name name-style="western" xml:lang="en"><surname>Krasnova</surname><given-names>S. A.</given-names></name></name-alternatives><bio xml:lang="ru"><p>д-р техн. наук, гл. науч. сотр.</p><p>г. Москва</p></bio><bio xml:lang="en"><p>Moscow, 117997</p></bio><email xlink:type="simple">skrasnova@list.ru</email><xref ref-type="aff" rid="aff-1"/></contrib></contrib-group><aff-alternatives id="aff-1"><aff xml:lang="ru"><institution>Институт проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН</institution><country>Россия</country></aff><aff xml:lang="en"><institution>V. A. Trapeznikov Institute of Control Sciences of Russian Academy of Sciences</institution><country>Russian Federation</country></aff></aff-alternatives><pub-date pub-type="collection"><year>2024</year></pub-date><pub-date pub-type="epub"><day>06</day><month>06</month><year>2024</year></pub-date><volume>25</volume><issue>6</issue><fpage>320</fpage><lpage>331</lpage><permissions><copyright-statement>Copyright &amp;#x00A9; Commercial Publisher «New Technologies», 2024</copyright-statement><copyright-year>2024</copyright-year><copyright-holder xml:lang="ru">Commercial Publisher «New Technologies»</copyright-holder><copyright-holder xml:lang="en">Commercial Publisher «New Technologies»</copyright-holder><license xlink:href="https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNotice" xlink:type="simple"><license-p>https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNotice</license-p></license></permissions><self-uri xlink:href="https://mech.novtex.ru/jour/article/view/1571">https://mech.novtex.ru/jour/article/view/1571</self-uri><abstract><p>Рассматривается проблема порождения плавных и достижимых траекторий для центра масс беспилотных колесных платформ, аппроксимирующих заданную с учетом времени последовательность путевых точек. Типовое решение состоит в сплайновой интерполяции отдельных участков маршрута с их последующей сшивкой. При этом проблема выполнения ограничений на характеристики движения робота, такие как скорость, ускорение и рывок, требует дополнительной алгоритмизации. В отличие от трудоемких аналитических методов в данной работе предложен принципиально новый подход, простой в вычислительной реализации, который обеспечивает динамическое сглаживание примитивных траекторий. Он предназначен для мобильных роботов, чья математическая модель является дифференциально плоской и приводима к канонической форме Бруновского. Разработаны принцип организации и метод синтеза автономной динамической модели (следящего дифференциатора), выходные переменные которой при отслеживании примитивной негладкой траектории порождают плавные кривые, чьи производные не превышают проектных ограничений конкретного робота и являются для него достижимыми эталонными траекториями. Для синтеза дифференциатора применяется блочный принцип управления и сигмовидные локальные связи. Это гладкие и ограниченные S-образные функции с двумя настраиваемыми параметрами, выбор которых на проектной стадии позволяет обеспечить выполнение заданных ограничений. В работе представлена процедура настройки трехблочного следящего дифференциатора, переменные которого генерируют в сигнальном покоординатном виде плавную эталонную траекторию, а также ее первую и вторую производные. Показано, что разработанная процедура без ограничения общности распространяется на следящие дифференциаторы любого требуемого порядка. В частности, конкретизирована структура и настройка одноблочного следящего дифференциатора для получения экспресс-результата на этапе планирования движения робота или полигона. Другое универсальное свойство разработанного метода связано с тем, что его единообразно можно использовать для генерации достижимых траекторий в фазовых пространствах любой размерности. Приведены результаты численного моделирования, подтверждающие эффективность разработанных алгоритмов.</p></abstract><trans-abstract xml:lang="en"><p>The problem of generating smooth and achievable trajectories for the center of mass of unmanned wheeled platforms approximating a reference sequence of waypoints considering time is considered. A typical solution consists in spline interpolation of separate route sections with their subsequent stitching. At the same time, the problem of satisfying constraints on robot motion features such as velocity, acceleration, and jerk requires additional algorithmization. In contrast to labor-intensive analytical methods, this paper proposes a fundamentally new approach, simple in computational implementation, which provides dynamic smoothing of primitive trajectories. The principle of organization and method of designing an autonomous dynamic model (tracking differentiator) whose output variables, while tracking a primitive non-smooth trajectory, generate smooth curves whose derivatives do not exceed the design constraints of a particular robot and are achievable reference trajectories for it. Block control principle and smooth and bounded S-shaped sigmoidal local links are used to design the differentiator. The paper presents a procedure for setting up a three-block tracking differentiator, whose variables generate a smooth reference trajectory, as well as its first and second derivatives, in a signal pocoordinate form. It is shown that the developed procedure extends to tracking differentiators of any required order without limitation of generality. In particular, the structure and setting of a single-block tracking differentiator for obtaining express results at the stage of robot or polygon motion planning is specified. Numerical simulation results confirming the efficiency of the designed algorithms are presented.</p></trans-abstract><kwd-group xml:lang="ru"><kwd>беспилотная колесная платформа</kwd><kwd>сглаживание эталонных траекторий</kwd><kwd>ограничения на скорость</kwd><kwd>ускорение и рывок</kwd><kwd>следящий дифференциатор</kwd><kwd>сигмовидные обратные связи</kwd></kwd-group><kwd-group xml:lang="en"><kwd>unmanned wheeled platform</kwd><kwd>reference trajectory smoothing</kwd><kwd>velocity</kwd><kwd>acceleration and jerk constraints</kwd><kwd>tracking differentiator</kwd><kwd>sigmoidal feedbacks</kwd></kwd-group></article-meta></front><back><ref-list><title>References</title><ref id="cit1"><label>1</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Кочетков С. А., Уткин В. А. Метод декомпозиции в задачах управления мобильными роботами // Автоматика и телемеханика. 2011. № 10. С. 86—103.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Kochetkov S. A., Utkin V. A. Method of decomposition in mobile robot control, Autom. Remote Control, 2011, vol. 72, no. 10, pp. 2084—2099.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit2"><label>2</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Пестерев А. В., Рапопорт Л. Б., Ткачев С. Б. Каноническое представление нестационарной задачи путевой стабилизации // Известия РАН. Теория и системы управления. 2015. Т. 54, № 4. С. 160—176.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Pesterev A. V., Rapoport L. B., Tkachev S. B. Canonical representation of a nonstationary path following problem, J. Comput. Syst. Sci. Int., 2015, vol. 54, pp. 656—670.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit3"><label>3</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Тюленев И. Д., Филимонов Н. Б. Алгоритмизация автоматического управления парковкой беспилотного автомобиля // Мехатроника, автоматизация, управление. 2023. Т. 24, № 12. С. 634—642. URL: https://doi.org/10.17587/mau.24.634-642.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Tyulenev I. D., Filimonov N. B. Algorithmization of Automatic Parking Control of Self-Driving Car, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2023, vol. 24, no 12, pp. 634—642 (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit4"><label>4</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Tzafestas S. G. Mobile robot control and navigation: A global overview // J. Intell. Robot. Syst. 2018. Vol. 91. P. 35—58. URL:https://doi.org/10.1007/s10846-018-0805-9.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Tzafestas S. G. Mobile robot control and navigation: A global overview, J. Intell. Robot. Syst, 2018, vol. 91, pp. 35—58.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit5"><label>5</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Bautista G. D., Perez J., Milanés V. A review of motion planning techniques for automated vehicles // IEEE Trans. Intell. Transpor. Syst. 2015. Vol. 17, N. 4. P. 1—11. URL: https://doi.org/10.1109/TITS.2015.2498841.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Bautista G. D., Perez J., Milanés V. A review of motion planning techniques for automated vehicles, IEEE Trans. Intell. Transpor. Syst., 2015, vol. 17, no. 4, pp. 1—11.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit6"><label>6</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Чекушкин В. В., Жиганов С. Н., Быков А. А., Михеев К. В. Воспроизведение траекторий движения объектов в системах контроля воздушного пространства // Мехатроника, автоматизация, управление. 2018. Т. 19, № 2. С. 126—133. URL: https://doi.org/10.17587/mau.19.126-133.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Chekushkin V. V., Zhiganov S. N., Bykov A. A., Miheev K. V. The Reproduction of the Trajectories of Moving Objects in the Systems of Control of Air Space, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2018, vol. 19, no. 2, pp. 126—133 (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit7"><label>7</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Rosu H. C., Mancas S. C., Hsieh C.-C. Generalized Cornu-type spirals and their Darboux parametric deformations // Physics Letters A. 2019. Vol. 383, N. 23. P. 2692—2697. URL: https://doi.org/10.1016/j.physleta.2019.05.040.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Rosu H. C., Mancas S. C., Hsieh C.-C. Generalized Cornu-type spirals and their Darboux parametric deformations, Physics Letters A, 2019, vol. 383, no. 23, pp. 2692—2697.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit8"><label>8</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Костюков В. А., Медведев М. Ю., Пшихопов В. Х. Алгоритмы планирования сглаженных индивидуальных траекторий движения наземных роботов // Мехатроника, автоматизация, управление. 2022. Т. 23, № 11. С. 585—595. URL: https://doi.org/10.17587/mau.23.585-595.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Kostjukov V. A., Medvedev M. Y., Pshikhopov V. Kh. Algorithms for Planning Smoothed Individual Trajectories of Ground Robots, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2022, vol. 23, no 11, pp. 585—595 (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit9"><label>9</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Mercy T., Van Parys R., Pipeleers G. Spline-Based Motion Planning for Autonomous Guided Vehicles in a Dynamic Environment // IEEE Trans. Control Syst. Technol. 2017. Vol. 26, N. 6. P. 2182—2189. URL: https://doi.org/10.1109/TCST.2017.2739706.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Mercy T., Van Parys R., Pipeleers G. Spline-Based Motion Planning for Autonomous Guided Vehicles in a Dynamic Environment, IEEE Trans. Control Syst. Technol., 2017, vol. 26, no. 6, pp. 2182—2189.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit10"><label>10</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Sun Y., Yang J., Zhao D., Shu Y., Zhang Z., Wang S. A Global Trajectory Planning Framework Based on Minimizing the Risk Index // Actuators. 2023. Vol. 12, N. 7. P. 270. URL: https://doi.org/10.3390/act12070270.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Sun Y., Yang J., Zhao D., Shu Y., Zhang Z., Wang S. A Global Trajectory Planning Framework Based on Minimizing the Risk Index, Actuators, 2023, vol. 12, no. 7, p. 270.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit11"><label>11</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Han J. Mobile robot path planning with surrounding point set and path improvement // Appl. Soft Comput. 2017. Vol. 57. P. 35—47. URL: https://doi.org/10.1016/j.asoc.2017.03.035.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Han J. Mobile robot path planning with surrounding point set and path improvement, Appl. Soft Comput., 2017, vol. 57, pp. 35—47.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit12"><label>12</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Busurin V.., Kazaryan A. V., Shtek S. G., Zheglov M. A., Vasetskiy S. O., Kyi P. L. Frame Micro-Optoelectromechanical Angular Velocity Transducer with Optical Readout Units Based on the Optical Tunneling Effect // Measurement Techniques. 2022. Vol. 65, N. 5. P. 360—365. URL: https://doi.org/10.1007/s11018-022-02088-3.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Busurin V. I., Kazaryan A. V., Shtek S. G., Zheglov M. A., Vasetskiy S. O., Kyi P. L. Frame Micro-Optoelectromechanical Angular Velocity Transducer with Optical Readout Units Based on the Optical Tunneling Effect, Measurement Techniques, 2022, vol. 65, no. 5, pp. 360—365.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit13"><label>13</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Gao Y., Tian D., Wang Y. Fuzzy Self-Tuning Tracking Differentiator for Motion Measurement Sensors and Application in Wide-Bandwidth High-Accuracy Servo Control // Sensors. 2020. Vol. 20, N. 3. P. 948. URL: https://doi.org/10.3390/s20030948.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Gao Y., Tian D., Wang Y. Fuzzy Self-Tuning Tracking Differentiator for Motion Measurement Sensors and Application in Wide-Bandwidth High-Accuracy Servo Control, Sensors, 2020, vol. 20, no. 3, p. 948.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit14"><label>14</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Kochetkov S. A., Krasnova S. A., Antipov A. S. Cascade Synthesis of Electromechanical Tracking Systems with Respect to Restrictions on State Variables // IFAC PapersOnLine. 2017. Vol. 50, N. 1. P. 1042—10147. URL: https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2017.08.1760.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Kochetkov S. A., Krasnova S. A., Antipov A. S. Cascade Synthesis of Electromechanical Tracking Systems with Respect to Restrictions on State Variables, IFAC PapersOnLine, 2017, vol. 50, no. 1, pp. 1042—10147.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit15"><label>15</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Антипов А. С., Краснова С. А., Уткин В. А. Синтез инвариантных нелинейных одноканальных систем слежения с сигмоидальными обратными связями с обеспечением заданной точности слежения // Автоматика и телемеханика. 2022. № 1. С. 40—66. URL: https://doi.org/10.31857/S0005231022010032.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Antipov A. S., Krasnova S. A., Utkin V. A. Synthesis of Invariant Nonlinear Single-Channel Sigmoid Feedback Tracking Systems Ensuring Given Tracking Accuracy, Autom. Remote Control, 2022, vol. 83, no 1, pp. 32—53.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit16"><label>16</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Кокунько Ю. Г., Краснова С. А., Уткин В. А. Каскадный синтез дифференциаторов с кусочно-линейными корректирующими воздействиями // Автоматика и телемеханика. 2021. № 7. С. 37—68. URL: https://doi.org/10.31857/S0005231021070035.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Kokunko Y. G., Krasnova S. A., Utkin V. A. Cascade Synthesis of Differentiators with Piecewise Linear Correction Signals, Autom. Remote Control, vol. 82, no 7, pp. 1144—1168.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit17"><label>17</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Xiang D., Lin H., Ouyang J., Huang D. Combined improved A* and greedy algorithm for path planning of multiobjective mobile robot // Sci. Rep. 2022. Vol. 12, N. 1. P. 13273. URL: https://doi.org/10.1038/s41598-022-17684-0.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Xiang D., Lin H., Ouyang J., Huang D. Combined improved A* and greedy algorithm for path planning of multiobjective mobile robot, Sci. Rep., 2022, vol. 12, no. 1, p. 13273.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit18"><label>18</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Belinskaya Yu. S. Application of the covering method for trajectories design for car-like robot // Proceedings of 2021 Fourteenth International Conference Management of large-scale system development (MLSD). Moscow, Russia, 27—29 September 2021. URL: https://doi.org/10.1109/MLSD52249.2021.9600209.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Belinskaya Yu. S. Application of the covering method for trajectories design for car-like robot, In Proc. 14th Int. Conf. "Management of large-scale system development” (MLSD), 2021.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit19"><label>19</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Fliess M., Levine J. L., Martin Ph., Rouchon P. Flatness and defect of non-linear systems: introductory theory and examples // International Journal of Control. 1995. Vol. 61, N. 6. P. 1327—1361. URL: https://doi.org/10.1080/00207179508921959.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Fliess M., Levine J. L., Martin Ph., Rouchon P. Flatness and defect of non-linear systems: introductory theory and examples, International Journal of Control, 1995, vol. 61, no 6, pp. 1327—1361.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit20"><label>20</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Antipov A. S., Kokunko Yu. G., Krasnova S. A., Utkin V. A. Dynamic Smoothing, Filtering and Differentiation of Signals Defining the Path of the UAV // Sensors. 2022. Vol. 22. P. 9472. URL: https://doi.org/10.3390/s22239472.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Antipov A. S., Kokunko Yu. G., Krasnova S. A., Utkin V. A. Dynamic Smoothing, Filtering and Differentiation of Signals Defining the Path of the UAV, Sensors, 2022, vol. 22, p. 9472.</mixed-citation></citation-alternatives></ref></ref-list><fn-group><fn fn-type="conflict"><p>The authors declare that there are no conflicts of interest present.</p></fn></fn-group></back></article>
