SISTEMA AUTOMATIZADO DE TRENES PARA ESTUDIAR EL CONTROL DE LA FORMACIÓN DE VEHÍCULOS

Abstract

Desde el nacimiento de la ciencia moderna, a mediados del siglo XVII, el progreso científico manifiestaun crecimiento continuo. No obstante, es en el siglo XX, es donde la investigación y la aplicación técnica delos conocimientos adquiridos, exhibe un crecimiento acelerado, transformando radicalmente la forma de vidade las personas. En los últimos años, esto se ha extendido de forma alucinante, siendo incorporadas nuevastecnologías a nuestra vida cotidiana a una velocidad incomparable con la del pasado.En la actualidad, uno de los grandes desafíos que enfrentan los investigadores asociados al área decontrol automático, es la búsqueda de nuevas técnicas que permitan optimizar el funcionamiento de lossistemas, disminuyendo su tiempo de respuesta, sin perder de vista el cumplimiento de altos estándares deseguridad.En la presente memoria de titulación, se entregan los resultados alcanzados en la implementación deuna plataforma experimental enfocada en el estudio del control de la formación de vehículos. Se considera,la confección de una serie de carros autónomos, con la capacidad de recorrer cierta trayectoria en conjuntoformando una cadena. El objetivo es mantener una distancia de referencia entre los vehículos mediante técnicasde control, para lo cual, es necesario realizar el modelado y una serie de pruebas en la plataforma.En primer lugar, se realiza la caracterización de los principales elementos del sistema dinámico,detallando las propiedades específicas de cada uno de ellos. Entre sus componentes, se cuenta con un sensorde proximidad ultrasónico HC-SR04, encargado de proporcionar la lectura instantánea de distancia entre losvehículos. Asimismo, se implementa un motor de tren, marca LEGO, como actuador, siendo gobernado porel integrado puente H L293D. Por otra parte, el controlador primario del sistema es la placa de desarrolloArduino UNO R3, cuya función es el cálculo de las acciones que permitan alcanzar cierta estrategia de control.Además, se considera una batería de 9[V] para la alimentación autónoma de los circuitos electrónicos.A continuación, se específica la interconexión de los elementos del sistema, se exponen los diagramasde circuitos y conexiones, indicando sus funcionalidades y la ubicación de cada uno de sus enlaces. También,se analiza el diseño de la carrocería de los carros, los materiales utilizados, señalando las ventajas y desventajasde los prototipos implementados. Además, se detalla la autonomía del sistema, a partir de una prueba simplepara la estimación de la duración de su batería. Posteriormente, se analizan algunos fenómenos imprevistos enel desarrollo del proyecto, como la denominada zona muerta, la variabilidad de las ganancias y la saturaciónde la actuación.Por otra parte, en una tercera sección se estudia el modelado del sistema, se desarrolla un análisisteórico de la planta y la estimación de parámetros de control, a partir de una serie de pruebas experimentales.Por ejemplo, la respuesta a escalón de los vehículos, la dinámica de los carros al efectuar cambios de dirección,entre otros.Asimismo, se expone la aplicación de controladores PID, los métodos estudiados y la respuesta de loscarros ante la implementación de distintas estructuras de control. Especificando las características de cadauno de los parámetros de control y la influencia en la dinámica de la plataforma.Además, se presentan experimentos efectuados con la cadena de vehículos, indicando las principalesconclusiones al analizar la plataforma, detallando las dificultades que se enfrentan.Por último, se describen cada una de las características de la rutina de programación para el controlde los vehículos. De esta forma, se detalla la declaración de constantes, variables y sentencias específicas,además, se presentan las librerías utilizadas para el manejo de periféricos. Del mismo modo, se describen cadauna de las funciones involucradas en la interacción del microcontrolador Arduino con sensores, actuadores yaplicaciones específicas del sistema.From the birth of the modern science, in the middle of the XVIIth century, the scientific progressshows a continuous growth. Nevertheless, it is in the XXth century, where the investigation and the technicalapplication of the acquired knowledge, exhibits an intensive growth, transforming radically the form of life ofpeople. In the last years, this has spread in an amazing manner, with new technologies being incorporatedinto our everyday life at an incomparable speed with respect to the past.In the present, one of the big challenges that investigators associated with the area of automatic controlface, is the search of new skills that allow to optimize the functioning of the systems, diminishing its responsetime, without losing from sight the fulfillment of high standards of safety.In this thesis report, I report the results obtained in the implementation of an experimental platformfocused in the study of the control of the formation of vehicles. The manufacture of a series of autonomouscars, with the ability to cover certain trajectory as a whole forming a chain is considered. The target is tomaintain a reference distance between the vehicles by means of control techniques, for which, it is necessaryto realize the modeling and a series of tests in the platform.First of all, the characterization of the main elements of the dynamic system is carried out, detailingthe specific properties of each of them. Among its components, there is an ultrasonic sensor of proximityHC-SR04, entrusted to provide the instantaneous distance reading between the vehicles. Also, a train engineis implemented, LEGO branded, as actuator, being governed by H bridge Integrated Circuit (IC) L293D. Onthe other hand, the primary controller of the system is the Arduino UNO R3 micro-controller board, whosefunction is the calculation of the actions that allow to reach certain control strategy. Also, a battery of 9[V] isused for the autonomous functioning of the electronic circuits.Next, there I detail the interconnection of the elements of the system, the diagrams of circuits andconnections, indicating its functionalities and the place of each of its linkages. Also, there I analyze thedesign of the vehicle’s chassis, and the used materials, indicating the advantages and disadvantages of theimplemented prototypes. Also, the autonomy of the system is detailed, from a simple test for the estimation ofthe duration of its battery. Later, some unforeseen phenomena are analyzed in the development of the project,like the so called dead zone, the variability of the LEGO motor gains and the saturation of the actuator.On the other hand, in a third section, the modeling of the system is studied. There I develop atheoretical analysis of the plant and the estimation of parameters of control, from a series of experimentaltests. For example, the step response of the vehicles, the dynamics of the cars when having changes ofdirection, among others.Also, I detail the application of PID controllers, the studied methods and the response of the carsbefore the implementation of dierent structures of control. I also specify the characteristics of each of theparameters of control and the influence in the dynamics of the platform.Next, experiments with the chain of vehicles are presented, indicating the main conclusions afterhaving analyzed the platform, detailing the diculties that were faced.Finally, each of the characteristics are described for programming routine for the control of thevehicles. There is a detailed the declaration of constants, variables and specific sentences, and also, thelibraries used for the handling the peripherals. In the same way, I describe each of the functions involvedin the interaction of the microcontroller Arduino with sensors, actuators and specific applications of thesystem.