A lifting-linearization method based on the Koopman operator and Dual Faceted Linearization is applied to the control of a robotic excavator. In excavation, a bucket interacts with the surrounding soil in a highly nonlinear and complex manner. Here, we propose to represent the nonlinear bucket-soil dynamics with a set of linear state equations in a higher-dimensional space. The space of independent state variables is augmented by adding variables associated with nonlinear elements involved in the bucket-soil dynamics. These include nonlinear resistive forces and moment acting on the bucket from the soil, and the effective inertia of the bucket that varies as the soil is captured into the bucket. Variables associated with these nonlinear resistive and inertia elements are treated as additional state variables, and their time evolution is represented as another set of linear differential equations. The lifted linear dynamic model is then applied to Model Predictive Contouring Control, where a cost functional is minimized as a convex optimization problem thanks to the linear dynamics in the lifted space. The lifted linear model is tuned based on a data-driven method by using a soil dynamics simulator. Simulation experiments verify the effectiveness of the proposed lifting linearization compared to its counterpart.


翻译:依据Koopman 操作员和 Dual- face 线性线性脱线法, 用于控制机器人挖土机。 在挖掘过程中, 桶用高度非线性和复杂的方式与周围土壤发生相互作用。 这里, 我们提议用高维空间的一组线性状态方程式代表非线性桶- 石油动态。 独立状态变量的空间通过增加与桶- 土壤动态所涉非线性元素相关的变量而得到扩大。 其中包括非线性抗力和从土壤桶上活动的时刻, 以及水桶因土壤被捕获而变化的有效惰性。 与这些非线性抗力和惯性元素相关的变量被当作额外的状态变量对待, 其时间演化则作为另一套线性差异方程式。 然后, 将提升的线性动态模型应用到模型预测性调控中, 其成本功能由于升空空间的线性动态而最小化为矩形优化问题。 升降线性线性模型根据数据驱动法调整, 使用土壤动力性模拟校准的直线性测试。

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