Contribuciones al modelado y control de robots móviles en condiciones exteriores

Resumen

La robótica móvil constituye un campo de investigación muy atractivo con una gran aplicabilidad. Estas aplicaciones a menudo necesitan de robots capaces de moverse en entornos exteriores (generalmente no pavimentados o todoterreno). Cuando un robot móvil trabaja en condiciones exteriores, varias perturbaciones e inconvenientes pueden llevar a un resultado inadecuado. Algunas de esas perturbaciones están relacionadas con la interacción entre el robot y el terreno, como por ejemplo los fenómenos de deslizamiento y hundimiento, así como la localización imprecisa. En este contexto, se debe llevar a cabo un diseño meticuloso y preciso junto con un estricto proceso de prueba para conseguir resultados satisfactorios y fiables. Para la aplicación exitosa de robots móviles en condiciones exteriores, los siguientes puntos fundamentales se deben analizar: planificación de trayectorias, estrategia de control de movimiento, modelado del robot y localización. El primer punto está relacionado con el problema de generar una trayectoria de referencia que permita al robot moverse desde un punto inicial a un objetivo. Posteriormente, los controladores de movimiento deben guiar al robot próximo a la referencia. Para este proceso, se requieren modelos apropiados para el diseño de los controladores y para fines de simulación. Además, a fin de realimentar a los controladores de movimiento se necesitan técnicas de localización precisas. Esta tesis doctoral se centra en los tres últimos puntos fundamentales. Por lo tanto, se supone que la trayectoria de referencia se ha obtenido en una fase previa. En particular, los objetivos son: formulación de varios modelos para el problema del seguimiento de trayectorias de robots móviles en entornos exteriores considerando el deslizamiento; proponer varias estrategias de localización para robots en condiciones exteriores; y diseño de controladores de movimiento con compensación del deslizamiento que aseguren el cumplimiento de la restricciones del robot y se ejecuten de forma eficiente en tiempo real. Para validar estas propuestas, se ha diseñado una arquitectura de navegación para un robot móvil real. En este caso, se ha utilizado un robot móvil tipo oruga, llamado Fitorobot, disponible en la Universidad de Almería. En primer lugar, se ha formulado un modelo cinemático para el problema del seguimiento de trayectorias. Se ha propuesto un modelo cinemático extendido considerando el efecto del deslizamiento. Este modelo evita la estimación de variables complejas normalmente relacionadas con modelos dinámicos. Además, las pruebas experimentales demuestran que este modelo cinemático es más apropiado que el modelo cinemático clásico cuando un robot se mueve en condiciones exteriores. Con respecto a la localización, se ha propuesto una técnica basa en visual odometry. El punto más interesante es que se combinan dos cámaras, una para la estimación del desplazamiento longitudinal y otra para estimar la orientación (visual compass). De esta forma, se minimizan los problemas habituales relacionados con el crecimiento del error de soluciones basadas en odometría y los fenómenos de falsa correspondencia (false matching) de soluciones basadas en el empleo de una sola cámara. Además, se propone una técnica basada en el filtro de Kalman indirecto. La principal ventaja de esta configuración es que el filtro está fuera del bucle de control. De esta forma, si el filtro falla el sistema de navegación puede funcionar, al menos, en un modo de emergencia. Una vez que se proponen los modelos y las técnicas de localización, se plantean tres estrategias de control. La primera de ellas se obtiene como una modificación de un controlador lineal conocido en la literatura sobre robótica. En este caso, las ganancias de realimentación se actualizan teniendo en cuenta el deslizamiento estimado. Además, se propone un controlador adaptativo con compensación del deslizamiento formulado usando Linear Matrix Inequalities. Las ventajas más importantes de esta estrategia son: estabilidad asintótica, rendimiento, cumplimiento de las restricciones sobre los estados y las entradas de control y ejecución eficiente en tiempo real. También se propone un controlador predictivo robusto basado en el concepto de “tubos”. Las principales ventajas de este esquema de control son: robustez (la incertidumbre del sistema se considera en la síntesis del controlador), rendimiento, cumplimiento de las restricciones sobre los estados y las entradas de control, estabilidad y ejecución eficiente en tiempo real. Todas las contribuciones de esta tesis doctoral se han validado a través de simulaciones y pruebas reales.