Diseño y construcción de un robot móvil aplicando el método de campos potenciales en la evasión de obstáculos

Abstract

RESUMEN: En este trabajo se estudia el problema de evasión de obstáculos en un robot móvil de ruedas de tipo Shakey empleando el método de campos potenciales artificiales. Para lograrlo, se diseñó una estrategia de control jerarquizado. El control jerarquizado en su más alto nivel, es un control por linealización de entrada-salida, el cual permite obtener los perfiles de velocidad requeridos por el robot móvil para que éste se desplace desde un punto inicial a un punto final dentro de un espacio de trabajo en el que se encuentran distribuidos algunos obstáculos, los cuales deben ser evadidos. En su menor nivel, el control jerarquizado es un control PI, el cual permite que los actuadores alcancen los perfiles de velocidad requeridos. Inicialmente se presenta una introducción a la robótica móvil, en donde se llevó a cabo una investigación acerca de los aspectos fundamentales referidos a un robot móvil y en particular a un robot móvil de ruedas. De igual forma, un acercamiento al estado del arte en robótica móvil, que permitiese conocer las distintas problemáticas asociadas al control de un sistema de esta naturaleza y, en el que de manera inherente, se halla el problema de evasión de obstáculos. Una vez que se realizó lo anterior, se definió el objetivo de este trabajo de tesis y la metodología que se siguió para lograrlo. Posteriormente, se describe el proceso de diseño y construcción del robot móvil, que, como se mencionó en el párrafo anterior, fue de tipo Shakey. Se obtienen los modelos matemáticos referidos a los dos subsistemas que conforman a un robot móvil de ruedas, a saber, la estructura cinemática y los actuadores. Se diseñaron las leyes de control asociados a estos subsistemas, se llevó a cabo la integración de estos controladores y las simulaciones correspondientes. Se instrumentaron las leyes de control en tiempo real en el móvil para realizar los experimentos, obteniendo resultados satisfactorios. Finalmente, se presentan las conclusiones y perspectivas a futuro de este trabajo.

ABSTRACT: In this work we study the obstacle avoidance problem in a Shakey wheeled mobile robot using the method of artificial potential fields. In order to accomplish this we design a two-level control strategy. The upper level controller fixes the velocity profiles required by robot to move from an initial position to a final position in a workspace where several obstacles are distributed which have to be avoided. The lower level controller is intended for actuators which have to reach the specified velocity profiles. The upper level controller is based on input-output feedback linearization whose reference is dictated by the artificial potential fields method. The lower level controller is a simple PI velocity controller. We present a brief history of mobile robotics, in general, and wheeled mobile robots, in particular. We also review literature on the mobile robot control problem and we conclude that the obstacle avoidance problem is a very important subject. Based on this observation, we define the objective of the present thesis and the methodology to follow in order to achieve our goal. We describe design and construction of the wheeled mobile robot. We obtain the mathematic models related to the kinematic subsystem and the actuators subsystem which compose the mobile robot. The control laws associated to these subsystems are designed, integrated and simulated. Further, we tested our strategy in real time on the mobile robot actually built by us in the laboratory and we obtain satisfactory results.