FORMATION CONTROL OF WHEELED MOBILE ROBOTS WITH FAULT-TOLERANCE CAPABILITIES. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF 8_with correction.pdf Restricted to Repository staff only until 20 May 2026. Download (6MB)

Arabic Abstract

تبحث هذه الدراسة في تأثير أعطال المشغلات على التحكم في تشكيل الروبوتات المتنقلة ذات العجلات المتعددة، وهو جانب بالغ الأهمية في تنسيق أنظمة الروبوتات المتعددة لتطبيقات مثل المراقبة، والاستكشاف، والنقل. فعند حدوث عطل في أي من الروبوتات، يمكن أن يؤدي ذلك إلى اضطراب في التشكيل ويؤثر سلبًا على أداء النظام، مما يؤدي إلى تقليل كفاءة النظام وموثوقيته. وعلى الرغم من أن العديد من الدراسات ركزت على استراتيجيات التحكم المتسامحة مع الأعطال للحفاظ على سلامة التشكيل، إلا أن هناك فجوة ملحوظة في الأدبيات فيما يتعلق بالعلاقة بين مكاسب وحدة التحكم وزمن الاستقرار في ظل درجات متفاوتة من فقدان كفاءة المشغل. في هذه الرسالة، نقوم بتطوير نموذج حركي للروبوتات المتنقلة ذات العجلات، ونطبق استراتيجية تحكم بالتشكيل تعتمد على مبدأ القائد-المتابع. يتم إدخال أعطال في المشغلات بشكل منهجي بمستويات مختلفة من الفعالية (مثل 80%، 60%، 40% من القدرة الكاملة) لمراقبة تأثيرها على الحفاظ على التشكيل. نقوم بتوليد بيانات تربط بين مكاسب وحدة التحكم وزمن الاستقرار تحت ظروف مختلفة لفقدان كفاءة المشغلات، ونقوم بتركيب منحنى متعدد الحدود لاشتقاق معادلة تصف هذه العلاقة. كما تُجرى محاكاة شاملة باستخدام برنامج MATLAB لتقييم المنهجية المقترحة. وتُظهر النتائج تأثير أعطال المشغلات على نظام التحكم في التشكيل، وتوفر رؤى قيّمة لتحسين مكاسب وحدة التحكم من أجل تعزيز القدرة على تحمل الأعطال. تساهم هذه النتائج في تطوير أنظمة روبوتات متعددة أكثر متانة قادرة على الحفاظ على التشكيل والأداء على الرغم من وجود أعطال في المشغلات.

English Abstract

This research investigates the impact of actuator faults on the formation control of multiple-wheeled mobile robots—a critical aspect in coordinating multi-robot systems for applications such as surveillance, exploration, and transportation. When a fault occurs in any of the robots, it can disrupt the formation and adversely affect the system’s performance, thereby compromising system efficiency and reliability. While numerous studies have focused on fault-tolerant control strategies to maintain formation integrity, there is a notable gap in the literature regarding the relationship between controller gains and settling time under varying degrees of actuator loss. In this thesis, we develop a kinematic model of wheeled mobile robots and implement a leader-follower-based formation control strategy. Actuator faults are systematically introduced with varying levels of effectiveness (e.g., 80%, 60%, 40% of full capacity) to observe their effects on formation maintenance. We generate data correlating controller gains with settling time under different actuator loss conditions and fit a polynomial curve to derive an equation describing this relationship. Comprehensive MATLAB simulations are conducted to evaluate the proposed methodology. The results demonstrate the influence of actuator faults on the formation control system and provide valuable insights into optimizing controller gains for improved fault tolerance. These findings contribute to the development of more robust multi-robot systems capable of maintaining formation and performance despite the presence of actuator failures.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Systems Engineering
Department:	College of Engineering and Physics > Control and Instrumentation Engineering
Committee Advisor:	Al Yazidi, Nezar Mohammed
Committee Co-Advisor:	Nasir, Ali
Committee Members:	Shakoor, Adnan
Depositing User:	MUHAMMAD SHAHAB (g202215480)
Date Deposited:	20 May 2025 10:26
Last Modified:	20 May 2025 10:26
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143388