Desarrollo de un controlador de velocidad de un robot móvil vehículo con una precisión de ± 5%

Abstract

La presente tesis trata acerca del estudio de la robótica móvil aplicada al campo de la exploración de ambientes cerrados, al mencionar ‘ambientes cerrados’ se hace referencia a que no se pueden usar en dichos entornos dispositivos o sistemas de posicionamiento global (GPS), y que por lo tanto se utilizan otros medios para poder localizarse y orientarse en dichos entornos, como por ejemplo, sensores especiales y técnicas de odometria. Justamente de la odometria se desprende la correcta localización del robot siendo relevante controlar adecuadamente la velocidad del robot. Debido a esta necesidad de controlar eficientemente la velocidad del robot móvil es que se realizó el análisis y desarrollo de técnicas de control para cada componente actuador que conforma el robot móvil, que en este caso serían el control de velocidad de los motores DC. Partiendo del diseño mecánico del robot y de su modelo cinemático es que se identificó los parámetros a controlar. Luego se pasó a seleccionar la electrónica necesaria para poder mover al robot y saber los estados de los parámetros a controlar a través de la recolección de data. Con el análisis de esta data recolectada se identificó los modelos matemáticos de cada motor DC. Una vez identificado la planta o modelo de cada motor DC se pasó a diseñar el controlador para cada motor y hacer pruebas de simulaciones del control off-line y on-line. Posteriormente, se realizaron pruebas experimentales retroalimentarías (análisis y rediseño) con el robot móvil para la validación del controlador de velocidad. La presente tesis se ha organizado en seis capítulos, los que están expuestos en orden siguiente: En el capítulo 1, se hace una breve reseña histórica donde se observan los campos de aplicaciones de la robótica móvil con el paso del tiempo, como la exploración de entornos desconocidos o la asistencia médica en entornos combinados, es decir, estáticos y dinámicos. Luego se establece la formulación del problema, en donde se muestra los inconvenientes que hay con respecto a la localización del robot y de su relevancia por controlarla. Finalmente se muestran los objetivos a los que se desean llegar en la presente Tesis. En el capítulo 2, se presenta el marco adecuado para establecer las bases de los tipos de configuración que tiene un robot móvil. El capítulo muestra los pros y contras de cada tipo. Se presenta los conceptos de cinemática y de las ecuaciones que representan el comportamiento para obtener el modelo del movimiento del robot. Se establece desde un punto de vista físico-cinemático los conceptos de estado, entradas y salidas. Finalmente, se da el diseño mecánico del robot prototipo, definiendo así las ecuaciones matemáticas del modelo para el control de la velocidad. En el capítulo 3, se presenta el esquema de conexión electrónica y las características de los componentes electrónicos y mecánicos que usara el robot móvil así como los programas que se utilizara para implementar los códigos de los algoritmos de control. Finalmente, se muestra el diseño del ensamble final del robot móvil. En el capítulo 4, se presenta la base teórica con respecto al proceso de estimación del modelo de un motor DC en base a la identificación de parámetros. Adicionalmente, se muestra el uso del Toolbox Ident de MATLAB. Finalmente, se realiza la identificación del modelo de cada motor DC del robot móvil usando una data recolectada de experimentos. En el capítulo 5, se presenta el análisis en continuo del control Proporcional- Integral-Derivativo (PID) así como el criterio para determinar las ganancias (Kp, Ki y Kd). Se muestra el tema de sintonización y del método de Ziegler-Nichols. Posteriormente se ilustra el análisis en discreto del controlador por medio de la aproximación por Tustin. Luego, se realiza la transformación a ecuación por diferencias para poder implementar el algoritmo de control en un microcontrolador. Finalmente, se realizan pruebas de simulaciones para validar el controlador PID. En el capítulo 6, se muestra las pruebas y los resultados de la implementación del controlador de velocidad en el robot móvil. Se realizaron tres tipos de pruebas, estas son, movimiento rectilíneo, movimiento giratorio y movimiento combinado. En todas las pruebas se hace una comparación de resultados y parámetros entre los movimientos con y sin controlador PID. Finalmente, se presentan las Conclusiones, Recomendaciones para investigaciones posteriores, en los anexos, se presentan los planos CAD, esquemáticos electrónicos, tabla de presupuesto, código en Arduino y Hojas técnicas. Quisiera finalizar este prólogo expresando mi agradecimiento a mi asesor de tesis, el Ing. Ricardo Rodríguez Bustinza por sus valiosas sugerencias en el desarrollo de la presente Tesis y por su tiempo en la revisión de la misma.