• Nie Znaleziono Wyników

Oszacowanie stałej Lipschitza dla Jakobianu robota mobilnego typu monocykl

Łukasz Małek1

Streszczenie: W pracy podj˛eto analiz˛e własno´sci matematycznych modelu ki-nematyki dwukołowego robota mobilnego typu monocykl. Wykorzystuj ˛ac po-chodn ˛a Gâteaux oszacowano stał ˛a Lipschitza Jakobianu tego robota. Uzy-skano wynik w postaci afinicznej, zale˙znej od normy sterowania tego układu.

Słowa kluczowe: Jakobian, stała Lipschitza, monocykl, planowanie ruchu

1. Wst˛ep

Jednym z kluczowych problemów zwi ˛azanych z algorytmami planowa-nia ruchu [3, 4] dla robotów mobilnych jest obszar, w którym istnieje gwa-rancja, ˙ze algorytmy te wygeneruj ˛a wła´sciwe rozwi ˛azanie. Obszar ten nazy-wany jest obszarem zbie˙zno´sci. W przypadku Jakobianowych algorytmów planowania ruchu [8] wyznaczenie tego obszaru mo˙ze odbywa´c si˛e na dwa sposoby. Po pierwsze mo˙zna próbowa´c wykaza´c, ˙ze algorytm jest zbie˙zny globalnie, poprzez wykazanie istnienia lokalnego rozwi ˛azania a nast˛epnie po-przez znalezienie afinicznego oszacowania normy Jakobianu wzgl˛edem normy sterowa´n, sprawdzenia, ˙ze rozwi ˛azanie to mo˙zna przedłu˙zy´c na cał ˛a prze-strze´n [7]. Chc ˛ac wykaza´c istnienie lokalnego rozwi ˛azania mo˙zna posłu˙zy´c si˛e twierdzeniem Picarda-Lindelöfa [1], do którego zastosowania konieczne jest wykazanie spełnienia warunku Lipschitza przez Jakobian. Alternatyw-nym podej´sciem jest próba wyznaczenia obszaru zbie˙zno´sci w oparciu o twier-dzenie Kantorovicha [5]. Jednym z warunków koniecznych do zastosowa-nia tego twierdzezastosowa-nia jest wykazanie spełniezastosowa-nia warunku Lipschitza przez po-chodn ˛a funkcji, dla której to twierdzenia ma by´c stosowane. W przypadku algorytmów Jakobianowych pochodn ˛a funkcji wyst˛epuj ˛ac w twierdzeniu jest wła´snie Jakobian. Spełnienie warunku Lipschitza jest wi˛ec jednym z istot-nych problemów wi ˛a˙z ˛acych si˛e z tematyk ˛a istnienia rozwi ˛azania algorytmów planowania ruchu dla robotów mobilnych.

W niniejszej pracy przedstawiono oszacowanie stałej Lipschitza dla Ja-kobianu robota mobilnego typu monocykl. Praca składa si˛e z nast˛epuj ˛acych cz˛e´sci. Pierwsz ˛a z nich stanowi opis metodyki u˙zytej do wyznaczenia sta-łej. Dalej podej´scie to zostało zastosowane dla przypadku algorytmu typu

1Instytut Informatyki, Automatyki i Robotyki, Politechnika Wrocławska, Wybrze˙ze Wy-spia´nskiego 27, Wrocław, lukasz.malek@pwr.wroc.pl

monocykl i doprowadziło do wyznaczenia szukanej stałej. W ostatniej cz˛e´sci znajduje si˛e podsumowanie niniejszej pracy.

2. Idea

Celem pracy jest wykazanie istnienia oszacowania

k(J(x) − J(y))vk ≤ ωkvkL2kx − ykL2 (1) dla Jakobianu robota typu monocykl. Aby udowodni´c t ˛a nierówno´s´c za-łó˙zmy, ˙ze Jakobian jest funkcj ˛a ró˙zniczkowaln ˛a wzgl˛edem sterowania. W ta-kim wypadku skorzystamy z twierdzenia o warto´sci ´sredniej w przestrze-niach Hilberta [2] które mówi, ˙ze istnieje takie sterowanie s ∈ [0, 1], ˙ze dla u = sx + (1 − s)y, zachodzi

k(J(x) − J(y))vk ≤ kDJ(u)vkk(x − y)k (2) gdzie DJ (u) oznacza pochodn ˛a Gâteaux Jakobianu

DJ(u)vw = d dα

α=0

J (u + αv)w, (3)

a norma operatorowa zdefiniowana jest w sposób nast˛epuj ˛acy kDJ(u)vk = sup

kwk6=0

kDJ(u)vwk

kwk . (4)

Naszym celem jest wi˛ec wykazanie, ˙ze dla u okre´slonego powy˙zej istnieje niepusty podzbiór przestrzeni sterowa´n, dla którego zachodzi warunek

kDJ(u)vk ≤ Lkvk (5)

ze stał ˛a L > 0.

3. Monocykl

Na pocz ˛atek rozpatrzmy robot mobilny o dwóch kołach nap˛edowych (Rys. 1). Taka konstrukcja nazywana jest monocyklem, a jej kinematyk˛e opi-suje poni˙zsze równanie ˙q = G(q(t))u(t), które w tym przypadku ma posta´c





˙

q1 = u1cos q3

˙

q2 = u1sin q3

˙

q3 = u2.

(6)

Linearyzuj ˛ac kinematyk˛e wzdłu˙z trajektorii otrzymujemy równanie ξ = A(t)ξ + B(t)u(t)˙

Rys. 1. Schemat platformy mobilnej typu monocykl

gdzie macierze A(t) oraz B(t) dane s ˛a zale˙zno´sciami

A(t) = ∂(G(q(t))u(t))

Znaj ˛ac kinematyk˛e robota mo˙zemy przej´s´c do jej pochodnej czyli do jako-bianu. W przypadku robotów mobilnych okre´slony jest on zale˙zno´sci ˛a

J (u)w = Z T

0

Φu(T, t)Bu(t)w(t)dt (8) gdzie w rozwa˙zanym przypadku macierz Cauchy’ego ma posta´c

Φ(T, t) =

Maj ˛ac posta´c jakobianu analitycznego monocykla mo˙zemy przej´s´c do post˛e-powania opisanego wcze´sniej. Zaczynamy od wyliczenia pochodnej Gâteaux Jakobaianu.

Uwzgl˛edniaj ˛ac fakt, ˙ze

q3(t) = Z t

0

u2(s)ds + q3(0) obliczamy pochodn ˛a Gâteaux funkcji q3(t)

Dq3(t)v = d

Zatem pochodna jakobianu monocykla ma posta´c DJ(u)vw =

Nast˛epnie wykorzystuj ˛ac znane z analizy funkcjionalnej fakty otrzymujemy kDJ(u)vwk ≤

Z T 0

kP (u(·), v(·), t)kkw(t)kdt.

Zauwa˙zamy dalej, ˙ze dla normy macierzowej zachodzi nast˛epuj ˛aca nierów-no´s´c

Wobec tego oszacowanie sumy modułów poszczególnych pól macierzy P (t)

|P1,1(u(·), v(·), t)| ≤

Otrzymujemy st ˛ad, ˙ze

kP (u(·), v(·), t)k ≤ 4kvkL1 + 2ku1kL1kvkL1 = kvkL1(4 + 2ku1kL1).

Dalej z nierówno´sci Hölder [6] dla funkcji okre´slonych na docinku [0, T ] za-chodzi nast˛epuj ˛aca zale˙zno´s´c pomi˛edzy normami

kvkL1 ≤√

T kvkL2, co prowadzi do

kDJ(u)vwk ≤ T kwkL2kvkL2(4 + 2√

T ku1kL2).

St ˛ad otrzymujemy, ˙ze kDJ(u)vk = sup

kwk6=0

kDJ(u)vwk

kwk ≤ T kvkL2(4 + 2√

T ku1kL2).

Ostatecznie, je´sli zało˙zmy, ˙ze ku1kL2 ≤ Cu to otrzymujemy ˙z ˛adane oszaco-wanie

k(J(x) − J(y))vk ≤ LkvkL2kx − ykL2, ze stała L = T (4 + 2√

T Cu).

4. Podsumowanie

W niniejszej pracy wykazali´smy, istnienie oszacowania stałej Lipschitza dla Jakobianu robota mobilnego typu monocykl. Uzyskane oszacowanie jest zale˙zne od normy sterowania u1(·), które jest uzyskiwane z parametryzacji odcinkowej dla sterowa´n x oraz y. Wynik ten mo˙ze by´c wykorzystany przy wykazywaniu lokalnego istnienia rozwi ˛azania Jakobianowego algorytmu pla-nowania ruchu b ˛ad´z te˙z do wykazania obszaru zbie˙zno´sci Jakobianowego al-gorytmu planowania ruchu w oparciu o twierdzenie Kantorovicha.

Literatura

[1] R. Abraham, J. E. Marsden, R. Ratiu, Manifolds, tensor analysis, and applications: 2nd edition, Springer-Verlag, New York, 1988

[2] D. Behmardi, E. D. Nayeri, Introduction of Frechet and Gateaux deriva-tive, Appl. Math. Sci., 2(20), 975–980

[3] J. Latombe, Robot Motion Planning, Kluwer, Boston, 1993

[4] S. LaValle, Planing Algorithms, Cambridge University Press, Cambridge, 2006

[5] L. Rall, A note on the convergence of Newton’s method, SIAM J. Numer.

Anal., 11(1), 34–36, 1974

[6] W. Rudin, Functional Analysis, McGraw-Hill Science, 1991

[7] H. Sussmann, A continuation method for nonholomic path-finding pro-blems, 32nd CDC, 91–125, IEEE, San Antonio, 1993

[8] K. Tcho´n, J. Jakubiak, Endogenous configuration space approach to mo-bile manipulators: a derivation and performance assessment of Jacobian inverse kinematics algorithms, Int. J. Control, 76(14), 1387–1419, 2003