Template-based and optimal control of dynamic quadrupedal gaits
Dinamik dört bacaklı yürüyüşlerin şablon tabanlı ve optimal kontrolü
- Tez No: 994047
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MUSTAFA MERT ANKARALI, DOÇ. DR. ALİ EMRE TURGUT
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu çalışma, trotting, pronking ve iniş davranışlarını kapsayan dinamik dört ayaklı lokomosyon için birleşik ve şablon tabanlı bir kontrol çerçevesi sunar. İlk olarak, saat torklu yaylı ters sarkaç (CT-SLIP) şablonu 3D'ye genişletilmiştir. Tek bir şablonla yürüme trot, normal trot ve uçuşlu (koşu) trot gerçekleştirilebilmektedir. Kontrolcü, uçuş fazları için parabolik hareket modeli ve daha iyi dönüş kararlılığı için salınım ayağını döndüren yaw kontrolü içermektedir. Şablon kuvvetlerini tam robota aktarmak için bütüncül vücut kontrolcüsü (WBC) entegre edilmiştir. Yöntem MuJoCo simülasyonunda kapsamlıca test edilmiş ve Unitree GO1 robotunda doğrulanmıştır; akıcı gait geçişleri, güçlü bozucu reddi ve gerçek dünya performansı sergilemiştir. İkinci olarak, aynı şablon dinamiklerini öngörücü kontrolle birleştiren sağlam bir pronking kontrolcüsü geliştirilmiştir. Zamana bağlı doğrusal MPC, şablonun ürettiği referans yörüngeleri takip ederken, doğrusal olmayan MPC (NMPC) analitik şablon çözümleriyle adım planlaması yapar. Yöntem simülasyon ve gerçek donanımda uygulanmış, yakınsama analizi ve bozucu testleriyle değerlendirilmiştir. Farklı başlangıç koşullarından kararlı ve uyarlanabilir pronking elde edilmiştir. Son olarak, düz zeminde güvenli iniş için optimizasyon tabanlı ayak yerleştirme stratejisi önerilmiştir. Yere basma fazı yay-sönümleyici şablonla modellenmiş, temas anında şablon momentleriyle gerçek yer tepki momentleri arasındaki hatayı en aza indiren ve sürtünme kısıtlarını dikkate alan bir NMPC kullanılmıştır. Simülasyon ve deneyler, 5 m/s'ye kadar yatay hızlarda başarılı iniş ve önceki yöntemlere üstün kararlılık göstermiştir. Sonuç olarak, basit şablon modelleriyle modern öngörücü kontrolün birleşimi, çok çeşitli gait ve görevlerde sağlam, esnek ve yüksek performanslı dört ayaklı hareket sağlamaktadır.
Özet (Çeviri)
This work presents a unified, template-based control framework for dynamic quadrupedal locomotion that covers trotting, pronking, and landing. First, we extend the clock-torque actuated spring-loaded inverted pendulum (CT-SLIP) template to 3D. This single template enables walking trot, regular trot, and flying (running) trot. The controller adds a projectile motion model for flight phases and a yaw control that rotates the swing foot plane for better turning stability. A whole-body controller (WBC) is integrated to map template forces to the full robot. The approach is tested extensively in MuJoCo simulation and on the Unitree GO1 robot, showing smooth gait transitions, strong disturbance rejection, and real-world performance. Second, we develop a robust pronking controller by combining the same template dynamics with predictive control. A linear time-varying MPC tracks reference trajectories generated by the template, while a nonlinear MPC (NMPC) plans footsteps using analytical template solutions. The method is implemented in simulation and on hardware. Convergence analysis and disturbance tests confirm stable and adaptable pronking from various initial conditions. Finally, we propose an optimization-based foot placement strategy for safe landing on flat ground. The stance phase uses a spring-damper template. An NMPC minimizes the error between template-predicted moments and actual ground reaction forces at touchdown, while respecting friction constraints. Simulation and hardware experiments demonstrate successful landings at horizontal velocities up to 5 m/s with higher stability than previous methods. Overall, combining simple template models with modern predictive control yields robust, versatile, and high-performance locomotion across multiple gaits and tasks.
Benzer Tezler
- Hücresel nöral ağlar ve uygulamaları
Cellular neural networks and applications
SEVİLAY ÖZDEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
1991
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. I. CEM GÖKNAR
- Açık deniz römorkör ve destek gemileri işletmeciliğinin stratejikyönetim modellemesi
Strategic management modeling for offshore tugboat and supportvessel operations
ALİ BURÇİN EKE
Doktora
Türkçe
2025
Denizcilikİstanbul Teknik ÜniversitesiDeniz Ulaştırma İşletme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZCAN ARSLAN
- Tam zamanında imalat sisteminin simülasyon ile analizi ve uygulanabilirliğinin etüdü
An Analysis of the just in time manufacturing system by simulation and a study for its applicability
SEMRA DURMUŞOĞLU
Doktora
Türkçe
1989
Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. AYHAN TORAMAN
- Hücresel yapay sinir ağları için iki öğrenme algoritması ve görüntü işleme uygulamaları
Two learning algorithms for cellular neural networks and their image processing applications
SİNAN KARAMAHMUT
Yüksek Lisans
Türkçe
1994
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiDOÇ.DR. CÜNEYT GÜZELİŞ
- Wind-optimized route planning with deep reinforcement learning
Derin pekiştirmeli öğrenme ile rüzgar optimizasyonlu rota planlaması
MELİH SAFA CENGİZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BARIŞ BAŞPINAR