Control jerárquico de robots móviles de baja velocidad usando redes neuronales y controladores PID

Abstract

Los robots móviles, tanto los autónomos como los teleoperadores son objeto de gran estudio y desarrollo en países industrializados que han visto en ellos gran campo de aplicación industrial. Las aplicaciones abarcan desde la enseñanza del funcionamiento de los robots e investigación en complejas técnicas de inteligencia artificial para la navegación y operación de robots móviles en ambientes reales, hasta la aplicación de robots móviles en la industria militar, la minería, el transporte flexible, y la industria aeroespacial. Cabe mencionar que el buen funcionamiento de las instalaciones industriales requiere de un constante mantenimiento de estos, para lo cual se hace necesario realizar pruebas; pruebas que demandan tiempo, y el tiempo en la industria es dinero. Estas pruebas se realizan mediante diferentes métodos, siendo el más conocido el de inspección visual, y otros más sofisticados como las pruebas de ultrasonido, de rayos X, etc. Existen instalaciones ubicadas en lugares inaccesibles para el personal que tiene que realizar estas pruebas, haciendo la inspección muy costosa. Son en estos lugares donde se hace necesario que un vehículo móvil pueda introducirse y hacer el trabajo de mantenimiento. En esta tesis analizamos el desempeño y práctica aplicación de las redes neuronales en el control del movimiento autónomo de robots móviles, para ello compararemos sus resultados obtenidos con los del Control Optimal. Se ha organizado la tesis de la siguiente manera: Capítulo 1, “Introducción”, este capítulo nos da a conocer la motivación por la cual se decidió realizar la tesis. Capítulo 2, “Presentación del Problema”, en este capítulo se presenta el problema de control las aplicaciones prácticas, en diversas áreas, de este trabajo. Capítulo 3, “Modelamiento del Robot Móvil y Problema de Control”, en este capítulo se analiza y se calculan las ecuaciones matemáticas que definen el modelo del robot móvil, herramienta importante para el desarrollo de la tesis. También, se define y halla la solución al problema de control, que indica las características que va a tener el controlador como lo son el determinar las señales de control, el número de entradas y salidas del controlador y sus características. Capítulo 4, “Control No Lineal del Robot Móvil”, en este capítulo se muestra una solución al problema de control, utilizando como herramientas la linealización por realimentación (feedhack linearization) y la teoría de control óptimo cuadrático, dando inicialmente los alcances teóricos necesarios para poder implementar estos controladores y posteriormente mostrando los resultados del comportamiento del controlador en el robot móvil obtenidos en las simulaciones. Capítulo 5, “Control del Robot Móvil con Redes Neuronales”, es el capítulo central de la tesis, aquí se analiza la opción de controlar al robot móvil utilizando este controlador inteligente el cual, después de analizar los resultados, se obtendrá mejores resultados. Este capítulo, inicialmente, muestra un panorama teórico de las redes neuronales (definición, tipos de redes, etc.) y a medida que se va desarrollando este capítulo se va ingresando al tipo de red neuronal (red neuronal multicapa recurrente) que se va a utilizar y el tipo de entrenamiento (Dynamic Back Propagation). Gracias al modelo matemático del robot móvil (calculado en el capítulo 3) el entrenamiento del neuro controlador se hace en menos tiempo de lo que demoraría en hacerlo on-line. Además, los resultados del comportamiento del controlador en el robot móvil obtenidos en las simulaciones. Capítulo 6, “Implementación”, en este capítulo mostraremos las etapas que se siguieron durante la implementación del robot móvil con su controlador, indicando diseño de tarjetas de control, potencia, tratamiento de señal, sensores y solución al problema de navegación, también la determinación del periodo de muestreo y diseño de controladores independientes destinados para el control de velocidad del robot móvil y dirección del timón. Capítulo 7, “Resultados”, aquí se muestran los resultados obtenidos con las pruebas hechas en el prototipo que se implementó, utilizando el controlador que guiará al robot móvil a decidir la trayectoria óptima para cumplir el objetivo. Por último, en la sección “Conclusiones y Observaciones”, se presentan todas las conclusiones y observaciones encontradas a lo largo del desarrollo teórico y práctico de la Tesis; además en la última sección las recomendaciones para futuros trabajos que brinden mejoras al proyecto. Agradezco al Dr. Antonio Morán Cárdenas, quien gentilmente aceptó la asesoría de mi tesis, además estuvo constantemente apoyándome en la interpretación de la teoría y en la resolución de problemas de implementación. Agradezco así mismo al Ing. Ricardo Rodríguez Bustinza, al lng. Freddy Sotelo Valer y al lng. Bruno Vargas Tamani quienes colaboraron con su experiencia en la solución de problemas teóricos y prácticos; también, al Laboratorio de Ingeniería Mecatrónica por su continuo apoyo en cuanto al abastecimiento de equipo de laboratorio. Finalmente debo dar gracias a mis padres, Víctor y Maritza, y a Patty quienes incansablemente motivaron mis esfuerzos para culminar este trabajo.