مجله ی مهندسی مکانیک شریف

مجله ی مهندسی مکانیک شریف

الگوریتم ناوبری رفتار مبنا برای دوچرخه خودپایدارساز در حضور موانع به کمک یادگیری تقویتی عمیق

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه طراحی کاربردی، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس
2 طراحی کاربردی-مهندسی مکانیک
10.24200/j40.2026.68231.1760
چکیده
خودروهای دوچرخ به دلیل ابعاد کوچک و مانورپذیری بالا در فضاهای محدود کاربرد گسترده‌ای دارند؛ بااین‌حال، حفظ تعادل آن‌ها در سرعت‌های کمتر از پنج متر بر ثانیه چالش‌برانگیز است. در این پژوهش، مدل‌سازی دینامیکی دوچرخه‌ی خودپایدارساز بر پایه رویکرد لاگرانژی در محیط متلب انجام و با مدل چندجسمی Simscape اعتبارسنجی شد. برای بهبود پایداری در سرعت‌های پایین، از دو الگوریتم یادگیری تقویتی عمیق شامل روش گرادیان خط‌مشی قطعی عمیق و روش گرادیان خط‌مشی قطعی دوگانه‌ی تأخیری برای بهینه‌سازی فرمان‌های چرخ عکس‌العمل استفاده شد. ارزیابی مقایسه‌ای با کنترلر بهینه‌ی خطی درجه دوم نشان داد کنترلرهای یادگیری تقویتی در مواجهه با دینامیک غیرخطی و مانورهای منحنی برتری قابل‌توجهی دارند. روش گرادیان خط‌مشی قطعی دوگانه‌ی تأخیری به‌دلیل ساختار دوگانه‌ی ارزیاب، عملکرد پایدارتر و نوسانات کمتری دارد و در ناوبری رفتارمبنا در حضور موانع، ریشه‌ی میانگین مربعات خطای زاویه‌ی غلتش را به 1.23 درجه کاهش داد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Behavior-Based Navigation Algorithm of a Self-Balancing Bicycle in the Presence of Obstacles Using Deep Reinforcement Learning

نویسندگان English

Arash Karimi 1
Majid Sadedel 2
1 Applied Design Department, Faculty of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University
2 Applied Mechanics-Mechanical Engineering
چکیده English

Two-wheeled vehicles such as bicycles and motorcycles are widely used due to their compact dimensions, low inertia, and high maneuverability, making them suitable for navigation in confined spaces. However, maintaining dynamic balance, particularly at speeds below five meters per second, remains a significant challenge, as the stabilizing effects of gyroscopic precession and caster geometry diminish at low velocities. Addressing this issue requires advanced control strategies capable of handling highly nonlinear dynamics. In this study, the dynamic modeling of an autonomous self-balancing bicycle equipped with a reaction wheel was developed based on the Lagrangian formulation in MATLAB/Simulink. The state-space model was validated against a Simscape multibody simulation under identical pulse torque excitation, confirming the accuracy of the derived equations. The reaction wheel generates a counter-torque proportional to the roll angle deviation to restore the vehicle to its upright equilibrium. To enhance low-speed stability, two deep reinforcement learning (DRL) algorithms were implemented: the Deep Deterministic Policy Gradient (DDPG) and the Twin Delayed Deep Deterministic Policy Gradient (TD3). These model-free controllers optimize reaction wheel torque commands based on observed state variables without requiring an explicit dynamic model. A behavior-based navigation algorithm combining goal-reaching and obstacle-avoidance behaviors was integrated with the balance loop via a PID steering controller. The framework was benchmarked against a classical Linear Quadratic Regulator (LQR) across three scenarios: straight-path balance, curved-path navigation with four obstacles, and disturbance rejection under speed-bump excitation. Simulation results showed that the TD3 algorithm outperformed both DDPG and LQR, achieving a root mean square error (RMSE) of 1.23 degrees in roll angle during curved-path navigation. While the LQR controller performed adequately on straight paths, it exhibited significant oscillations during curved maneuvers due to nonlinear dynamics. The TD3 controller produced smoother torque profiles and superior disturbance rejection. These results confirm that DRL-based controllers offer a robust and adaptable solution for low-speed stabilization and autonomous navigation of self-balancing two-wheeled vehicles.

کلیدواژه‌ها English

Balance Control
Self-Balancing Bicycle
Behavior-Based Navigation Algorithm
Reaction Wheel
Reinforcement Learning

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 04 آبان 1405