Trabajo de Tesis. INTELIGENCIA ARTIFICIAL
Diseño e implantación de un robot móvil
Sergio Uribe Gutiérrez
En los últimos años se ha registrado un creciente interés en la investigación de robots móviles debido en parte al alto grado de desarrollo que se ha alcanzado en el área de sensores y de mecanismos. Lo anterior ha permitido la implantación de sistemas con un alto grado de interacción con el medio logrando que el robot extraiga una descripción más fiel de su entorno, la cual puede emplear para realizar sus tareas con más exactitud.
Las tareas que puede llegar a desempeñar un robot móvil son de lo más diversas, desde la inspección de residuos peligrosos y asistencia a minusválidos, hasta la exploración de otros planetas. Una aplicación muy difundida de este tipo de robots, sobre todo en el sector de manufactura, son los llamados vehículos guiados automáticamente (AGV, por sus siglas en inglés), los cuales se emplean en el traslado de material y/o productos a ciertas áreas de la planta, logrando una mayor sistematización y una mejor integración de la planta hacia esquemas de manufactura integrada por computadora (CIM).
La característica fundamental de este tipo de robots es su alto grado de autonomía; es decir, el robot alberga todos los subsistemas necesarios para desarrollar sus tareas, los cuales deberán interactuar adecuadamente a fin de que la tarea emprendida por el robot sea ejecutada satisfactoriamente.
La arquitectura típica de un robot móvil está integrada por los siguientes cuatro componentes que forman un sistema:
- Un subsistema planeador, encargado de encontrar una trayectoria a través de un ambiente de trabajo y bajo ciertas condiciones, que pueden ser restricciones de energía, restricciones de distancia, etc.
- Un subsistema de control, responsable de lograr un movimiento adecuado que cumpla con las consignas del planeador para permitir que el robot se desplace de una posición inicial a una final a lo largo de la trayectoria planeada.
- Un subsistema de propulsión, que recibe los comandos relacionados con el movimiento del sistema de control y está conformado por un conjunto de desplazamientos.
- Un módulo de sensores, que proporciona una descripción del medio y las condiciones de trabajo al sistema de propulsión.
El desarrollo del proyecto
- Implantación de la plataforma móvil
- Control de la plataforma móvil
- Planeación de la trayectoria
- Desarrollo de un esquema de control global
Los componentes físicos que se utilizaron fueron en su mayoría materiales usados, entre ellos, un carrito infantil eléctrico y sus motores. La computadora que se usó para la programación fue una PC modelo 386.
1. El sistema físico
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El sistema físico que se creó está conformado por una plataforma de plástico semiduro de 0.75 x 0.80 mts. montada sobre una estructura metálica tubular de 1/2 plgs. que le da rigidez mecánica. Esta estructura descansa sobre tres ejes independientes a los cuales se acopla un par de ruedas con giro independiente. Las seis ruedas son de plástico duro con un diámetro de 0.195 mts. cada una. |
Con la finalidad de tener un control de alto rendimiento en la velocidad de los motores y, por consiguiente, en la velocidad de la plataforma, se optó por emplear manejadores PWM (modulación en anchura de pulso, por sus siglas en inglés). El problema que se enfrentó fue que el motor de corriente directa trabaja con base en pulsos de encendido y apagado, con distinta duración cada uno. En el caso del robot móvil se necesitó que la velocidad que proporcionan los motores se pudiera controlar. El esquema de PWM permite este tipo de control. El esquema de conmutación empleado es un puente H, lo que permite operar al motor en dos cuadrantes: sentido izquierdo y sentido derecho, así como también el paro del motor.
Para poder tener un buen control de la velocidad y desplazamiento de la plataforma, es necesario tener un buen sistema de medición de estos parámetros, para lo cual se diseñó un par de codificadores ópticos. Estos consisten de un disco rígido en el cual se practicaron perforaciones que permiten obturar un haz infrarrojo proveniente de un fotodiodo. Este haz incide sobre la superficie de un fototransistor, el cual está saturándose y cortándose a una frecuencia definida por el número de perforaciones del disco y, desde luego, por la velocidad de giro de la rueda.
2. La trayectoria
El sistema de control del robot se encarga de generar las trayectorias a describir por el robot a partir de un mapa escalado que se proporcione. Este mapa debe contener todos los obstáculos con dimensiones y ubicaciones lo más apegadas a la realidad, ya que de esto dependerá la exactitud del movimiento emprendido a posteriori por el robot. El sistema de control está compuesto por una serie de rutinas programadas en Quickbasic y Matlab, las cuales tienen varios objetivos que van desde la generación del mapa del ambiente hasta la ejecución de la trayectoria.
La generación del mapa consta de una serie de rutinas que permiten el diseño del propio mapa en un ambiente gráfico con dimensiones reales, en donde el usuario introduce los obstáculos por posicionamiento del cursor en el área deseada. Se tiene la facilidad de salvar y cargar los mapas; esto permite emplear al robot en diversos ambientes. Se cuenta, además, con una opción de conversión del mapa a Espacio-C, la cual se encarga de expandir todos los obstáculos en las dimensiones del robot con la finalidad de que el mapa final sea adecuado y confiable para poder buscar una trayectoria. De esta manera, el mapa es discretizado a las dimensiones del robot y se representa por una matriz de unos y ceros, donde los ceros significan espacio libre y los unos, obstáculos.
Una vez que se cuenta con una representación matricial del ambiente, es necesario declarar el punto de inicio y el punto a donde se quiere que llegue el robot. Con estos datos, el robot tendrá que buscar, sin instrucciones externas adicionales, una trayectoria que sea óptima en distancia. Se implantaron dos de las más conocidas formas de planeación de trayectorias: la búsqueda por programación dinámica y la búsqueda por campos potenciales.
El procedimiento de planeación por programación dinámica inicia con la transformación de la matriz del ambiente, de forma que la distancia se propaga a través del espacio libre a partir del punto final. Esta ”onda'' de distancia fluye alrededor de los obstáculos y, con el tiempo, cubre todo el espacio libre en el ambiente. Para cualquier punto de inicio dentro del ambiente que represente la posición de inicio del robot, la trayectoria más corta hacia el punto final se encuentra uniendo las posiciones vecinas de menor valor en distancia hasta llegar al punto final, que tiene un valor de cero. Este procedimiento consta de dos algoritmos desarrollados en Matlab.
La planeación de trayectoria por campos potenciales trata al robot como a una partícula influenciada por un campo potencial artificial, cuyas variaciones obedecen a la geometría y la configuración de los obstáculos. El campo potencial artificial es la suma entre un campo potencial atractivo, que “atrae'' al robot hacia el punto final, y un campo potencial repulsivo, que “repele'' al robot.
El campo potencial atractivo es generado mediante una función cónica de un solo mínimo, es decir, un paraboloide, en cuyo vértice se encuentra el punto final. El campo potencial repulsivo es generado por una expansión de los obstáculos; la sumatoria de estos dos campos ocasiona un ambiente sinuoso en donde el espacio libre concurre hacia el punto final.
Un algoritmo que busque los puntos contiguos con menor potencial se encarga de encontrar la trayectoria óptima en distancia. Sin embargo, el campo potencial puede adoptar configuraciones con más de un mínimo, y entonces esta búsqueda fracasa.
Conclusiones
El presente trabajo llegó a su fin con la implantación física del sistema de plataforma móvil, en donde se desarrolló un módulo de control completo en cuanto a seguimiento y sensado se refiere. Mediante la integración de los cuatro subsistemas se cumplió con el objetivo de construir un robot móvil autónomo. A diferencia de los robots comerciales, el robot que se diseñó incluye un generador de trayectorias. Por consiguiente, al no usar una serie de comandos proporcionados por el usuario para indicar al robot cómo debe moverse, sino únicamente dar la instrucción del destino final, se logró que el robot fuese una máquina inteligente. También el prototipo resultó adecuado para probar desde algoritmos de control convencional hasta algoritmos de control inteligente a un costo mucho menor que las plataformas existentes en el mercado.
Referencias
- J.C. Latombe, Robot Motion Planning. Kluwer Academic Publishers, 1991.
- F.R. Noreils y R.G. Chatila, “Plan execution monitoring and control architecture for mobile robots”, IEEE Trans. Robotics and Automation, Vol.11, pp. 255-266, 1995.
- S.R.D., “Mechatronics and robotics for service applications”, IEEE Robotics and Automation Magazine, Vol.1, p. 3136, 1994.
- L.F. Hua G., “An improved full-bridge zero-voltage-switched pwm converter using a saturable inductor”, IEEE Trans. Power Electronics, Vol. 8, pp. 530-534, 1993.
Sergio Uribe Gutiérrez recibió el grado de Maestría en Ingeniería de Control del Campus Monterrey del Tecnológico en agosto de 1998. Actualmente estudia el Doctorado en Inteligencia Artificial en el Campus Monterrey.
El asesor de esta tesis fue el Dr. Horacio Martínez, profesor del Centro de Inteligencia Artificial.