Diseño, implementación y evaluación de una plataforma experimental para el estudio del control de una flota de robots móviles

Abstract

El objetivo de este trabajo es desarrollar una plataforma experimental para el estudio del control de flotas de robots móviles. Para este propósito, se reúnen los requisitos generales de diseño, los cuales, son definidos previamente por integrantes del proyecto interno PI-LII-2020-38, UTFSM, con participación del autor de esta memoria. Como primera parte del trabajo, se estudian los materiales para implementar la superficie y trayectoria de navegación, y se diseña el hardware para un robot móvil de tracción diferencial (DDMR), utilizando herramientas computacionales para el diseño mecánico y electrónico. En segundo lugar, se estudia el modelo matemático que describe el movimiento del DDMR sobre una trayectoria de navegación y la distancia que mantiene este con respecto a otro robot predecesor (modelo principal). El desarrollo del modelo se analiza desde un enfoque cinemático y dinámico. Adicionalmente, se construye un modelo complementario que incluye, además de las salidas de orientación y distancia, la velocidad lineal del DDMR. Por último, se analizan las principales propiedades del modelo como: estabilidad, observabilidad y controlabilidad. A partir del modelo principal, se desarrolla un esquema de control basado en el regulador LQR, con el propósito de llevar las salidas a un punto de operación deseado. Además, se desarrolla un esquema de control utilizando el modelo complementario, basado en controladores PID para cada salida del modelo. Los parámetros de cada controlador se obtienen mediante un análisis de la respuesta a escalón de las salidas y las señales de control, para el sistema en lazo cerrado. A continuación, se describen los modelos y algoritmos que permiten la implementación de los esquemas de control, la medición de señales de interés, el accionamiento de motores y la comunicación inalámbrica, a partir de un análisis del hardware utilizado y las condiciones del entorno de navegación. Para esto, se utilizan aproximaciones de los modelos de tiempo continuo a tiempo discreto, y algunas librerías ya desarrolladas por terceros. Finalmente, se realizan diferentes pruebas experimentales que permiten validar el funcionamiento de la plataforma experimental. Las pruebas se enfocan en la información obtenida por el monitoreo de variables en línea para una flota compuesta por tres robots móviles diferenciales, para cada uno de los esquemas de control propuesto, y para diferentes escenarios de operación, donde se concluye que el desempeño de la navegación depende de la elección de los parámetros de cada esquema de control y de la velocidad en que se desplaza el agente líder (punto de operación). Se comprueba la capacidad de comunicación entre robots y como esta ayuda a mejorar el desempeño de la navegación de la flota. Finalmente, se comprueba la capacidad de la plataforma experimental para realizar estudios sobre el control de flotas de robots móviles.