Diseño e implementación de un robot móvil autónomo tipo rover para exploración de terrenos poco estructurados

Abstract

RESUMEN: El presente trabajo de tesis aborda el desarrollo de un robot móvil tipo rover, el cual cuenta con seis ruedas actuadas de tracción, unidas al chasis mediante un sistema de suspensión pasivo que se coloca en los laterales del robot, cada sistema de suspensión, está constituido por dos mecanismos simétricos en forma de paralelogramo los cuales se unen en la parte inferior al eje de la rueda central y en la parte superior por un mecanismo diferencial que se encarga de nivelar el ángulo de Inclinación del chasis. Además cuenta con dos motores de dirección colocados en la parte frontal del vehículo. Mediante un proceso de optimización se realiza la síntesis del mecanismo de suspensión mediante cómputo evolutivo utilizando el algoritmo de Evolución diferencial aplicando la métrica conocida como requerimiento de fricción y un análisis cuasi-estático donde el robot se coloca en diferentes posiciones para calcular las fuerzas normales y el par torsional de cada rueda para que el sistema se mantenga en equilibrio. Por otra parte, se desarrollan dos modelos cinemáticos, un modelo global en el cual se obtiene el movimiento del robot en tres dimensiones por medio de la asignación de marcos de coordenadas que van del marco de referencia unido al centro de gravedad del robot hasta el marco de coordenadas de contacto del terreno con las ruedas siguiendo la metodología de Denavit-Hartenberg y matrices de transformación homogénea y un modelo local donde se plantea una aproximación del modelo del robot móvil tipo Rovera un modelo conocido como Skid-Steer combinado con un modelo tipo Ackerman para el sistema de dirección, por medio de ́esta aproximación se plantea una estrategia de control para el seguimiento de trayectorias diferenciables y no diferenciables la cual se verifica mediante simulación numérica sobre terreno plano e irregular utilizando el software de análisis multi cuerpo llamado Adams® en conjunto con el software Simulink® de Matlab®. El robot m ́ovil fue instrumentado con elementos tales como: una unidad de medición inercial y un módulo GPS con lo que se obtiene la posición y la orientación del vehículo además de que se incluyeron sensores para medir la posición de la suspensión. Los datos de la unidad de medición inercial y los datos de los sensores de posición son adquiridos mediante una tarjeta STM32F4 Discovery y son enviados a una tarjeta de control principal llamada Raspberry Pi 4 que se encarga de procesar los datos y enviar las señales mediante un programa desarrollado en Python a las tarjetas controladoras de los motores para que el robot se pueda desplazar. Finalmente se realizan pruebas de campo en lazo abierto y en lazo cerrado. ABSTRACT: This work presents the development of a rover-type mobile robot, which has six actuated traction wheels,attached to the chassis by means of a passive suspension system that is placed on the sides of the robot, each suspension system is constituted by two symmetrical mechanisms in the form of parallelogram which are joined in the lower part to the central wheel axis and in the upper part by a differential mechanism that is responsible for leveling the angle of inclination of the chassis. It also has two steering motorslocated at the front of the vehicle.Through an optimization process, the synthesis of the suspension mechanism is carried out by meansof evolutionary computation using the differential Evolution algorithm applying the metric known as thefriction requirement and a quasi-static analysis where the robot is placed in different positions to calculate the normal forces and the torsional torque of each wheel so that the system remains in equilibrium. On the other hand, two kinematic models are developed, a global model in which the movement of the robot is obtained in three dimensions by means of the assignment of coordinate frames that go from the reference frame attached to the center of gravity of the robot up to the coordinate frame of ground con-tact with the wheels following the Denavit-Hartenberg methodology and homogeneous transformation matrices and a local model where an approximation of the robot model is proposed. Rover-type ball to amodel known as Skid-Steer combined with an Ackerman-type model for the steering system, by means of this approach a control strategy for tracking of differentiable and non-differentiable paths, which is ve-rified by numerical simulation on flat and irregular terrain using the multi-body analysis software called Adams® in conjunction with Simulink® from Matlab®.The mobile robot was instrumented with elements such as: An inertial measurement unit and a GPS module with which the position and orientation of the vehicle are also obtained, additionally sensorswere included to measure the position of the suspension. The data from the inertial measurement unitand the data from the position sensors are acquired through a STM32F4 Discovery card and are sent tothe main control card called Raspberry Pi 4 that is in charge of processing the data and send the signals through a program developed in Python to the motor controller boards so that the robot can move. Finally, open-loop and closed-loop field tests are performed.