Estrategia basada en el filtro de Kalman para el reemplazo de datos perdidos en la comunicación de un pelotón de vehículos autónomos

Abstract

El estudio de pelotones de vehículos autónomos ha sido de gran interés en el último tiempo, ya que los avances en esta área permitiría que el transporte de carga y pasajeros sea más eficiente, reducir el uso de combustible, acortar los tiempos de desplazamiento, entre otras ventajas. Uno de los desafíos más importantes en este contexto es lograr que los vehículos naveguen de forma coordinada y segura en una formación determinada, por ejemplo, con seguimiento al vehículo predecesor. Para ello, es esencial que exista comunicación de información entre los vehículos que permita este movimiento coordinado y eficiente. Esto favorece las condiciones para que el vehículo no solo logre la formación de adecuada en estado estacionario, si no que además asegure que el pelotón logre estabilidad de cuerda. Estabilidad de cuerda es una propiedad fundamental que asegura que los errores de seguimiento no se amplifiquen a lo largo del pelotón de vehículos, lo que ayuda a evitar colisiones entre los vehículos a causa de alguna perturbación. Si bien está propiedad ha sido bastante estudiada en la literatura en los últimos años, la gran mayoría de los análisis son de carácter determinístico, y son pocos los que consideran factores aleatorios que puedan estar afectando la comunicación entre vehículos. En el presente trabajo de tesis se aborda el problema de un pelotón de vehículos homogéneo donde el canal de la comunicación inalámbrica entre vehículos está sujeto a pérdidas de carácter aleatorio. Debido a la naturaleza del problema, se debe tener una política o estrategia para decidir qué hacer en el receptor cuando se produzca una pérdida de datos en la transmisión. Una estrategia razonable de compensación es el reemplazo de los datos perdidos por estimaciones apropiadas de estos. La contribución principal de esta tesis es proponer una estrategia de compensación nueva basada en el filtro de Kalman con observaciones intermitentes, en donde se utiliza un modelo del vehículo predecesor para estimar la información enviada por el canal de comunicación y así tener disponible un reemplazo para cuando se produzcan perdidas aleatorias. El desempeño de la estrategia propuesta se compara a través de resultados numéricos y experimentales, con otra estrategia más simple basada en una extrapolación lineal de los datos anteriormente recibidos. De los resultados de simulaciones numéricas, se observa que la estrategia propuesta muestra un mejor desempeño del pelotón, y además, es capaz de lograr estabilidad de cuerda en algunos casos donde la otra estrategia no es capaz. Adicionalmente, ambas estrategias son implementadas en una plataforma experimental de robots autónomos, y de los experimentos se observa que si bien ambas estrategias logran estabilidad de cuerda bajo las limitaciones experimentales de la plataforma, la estrategia propuesta muestra una leve mejoría en el desempeño de la varianza, al comparar con la estrategia más simple.