PANORAMA GENERAL DEL CONTROL DE VEHÍCULOS AUTÓNOMOS

Jiménez-Ochoa  A. J.1
Universidad Politécnica de Aguascalientes
Email: mc140017@alumnos.upa.edu.mx

Aguilar Justo Marving Omar2
Universidad Politécnica de Aguascalientes
Email: marving.aguilar@upa.edu.mx

Ramírez del Real Tania Aglaé3
Universidad Politécnica de Aguascalientes
Email: tania.ramirez@upa.edu.mx  

 

Resumen

En este trabajo se presenta un panorama general del control de los vehículos autónomos, como la primera parte de la investigación que se relaciona a la tesis de maestría: Modelado y control remoto de un vehículo autónomo guiado mediante un dispositivo móvil.

Palabras Clave: Autónomo, vehículo, modelo, control remoto, vehículo autónomo guiado, dispositivo móvil.

Abstract

In this work it is presented a general panorama of autonomous vehicles control, being the first approach of the research involved in the master’s thesis: Model and Remote Control of an Autonomous Guided Vehicle throw and mobile device.

Keywords: autonomous, vehicle, model, remote control, autonomous guided vehicle, mobile device.

1 INTRODUCCIÓN

En la Universidad Politécnica de Aguascalientes se tiene como proyecto el desarrollo de un vehículo autónomo móvil, el cual necesitará tener un control y supervisión remota para poder hacer uso del mismo. Es entonces que se da esta oportunidad de dar una primera aproximación al conocimiento de las variables involucradas en el desarrollo de este vehículo, en términos de su control y supervisión remota, siendo el objetivo principal del estudio el modelar y controlar un vehículo autónomo terrestre mediante un dispositivo móvil inteligente, que aquí es introducido.

El cumplimiento de dicho objetivo se dará en base al cumplimiento de varias etapas, las cuales se pueden presentar como puntos u objetivos particulares a cumplir, los cuales son:

• Comprender el funcionamiento de un dispositivo móvil inteligente para monitoreo y control de variables.
• Desarrollar un programa en LabVIEW que logre comunicación vía red con dispositivo móvil inteligente.
• Modelar el vehículo autónomo o en su defecto el motor con carga.
• Analizar y decidir qué variable se controlará.
• Analizar y decidir qué técnica de control utilizar de acuerdo al sistema.

Entonces como justificación para la realización de este trabajo, se establece que es posible modelar y crear un controlador adecuado para operar el vehículo autónomo móvil, diseñado y fabricado en la Universidad Politécnica de Aguascalientes, donde la referencia de la posición deseada así como su velocidad y el monitoreo de variables será posible gracias al uso de un  dispositivo móvil inteligente.

El resto del documento se estructura de la siguiente manera; en la sección 2 se da el planteamiento del problema a estudiar, se presenta el contexto y los temas que se ven envueltos en el mismo. En la sección 3 se presenta la fundamentación teórica que se ha buscado dentro de la información hasta ahora revisada. En la sección 4 se presentan los resultados obtenidos hasta el momento. En la sección 5 se presentan algunas conclusiones generales y al final se muestran las referencias utilizadas.

2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA A ESTUDIAR

2.1 Vehículos autónomos
Los vehículos autónomos han tenido una amplia difusión en su uso en ambientes donde el humano tiene dificultades para operarlos. Un claro ejemplo de estas dificultades se presenta a partir de marzo de 2011, cuando una serie de explosiones convirtieron a la planta de energía nuclear de Fukushima en una ruina radioactiva. Siendo aquí donde los vehículos autónomos han tomado las riendas de trabajos de exploración y limpieza. Ejemplo de estas aplicaciones se presentan en las figuras 1-5.

2.2 Control Lateral y Longitudinal        

Para el manejo de un vehículo móvil, los principales problemas a resolver son el control lateral y el control longitudinal, y para hacer posible el control es necesario modelar la dinámica del sistema.
El control lateral hace referencia al manejo de un vehículo automático para que siga una referencia (Ho, 2012). Ejemplos de dispositivos en los que se aplica este tipo de control son:

• Seguidores de línea (figuras 7 y 8)
• AGV (Vehículos Guiados Automáticamente) seguidores de línea magnética
• Detección de marcas o distancias.

El control longitudinal hace referencia a la regulación de la velocidad de un vehículo para mantener un espaciado adecuado entre vehículos (Ho, 2012). Ejemplos de dispositivos en los que se aplica este tipo de control son:

• Control de múltiples vehículos (figuras 9-12)
• Búsqueda y rescate
• Organización y recreación

• Modelo de la dinámica del Sistema

Un modelo representa la dinámica del desplazamiento con respecto a una referencia, muestra su espacio de estados y como son definidos cada uno de sus parámetros (Ho, 2012). Un ejemplo de modelo es el modelo de bicicleta (figura 13).

Más ejemplos del modelado de la dinámica de un sistema, se presentan en las figuras 14, 15, 16 y 17.

• Vehículo autónomo (robot móvil), control y supervisión remota con dispositivo móvil inteligente.

En esta propuesta de tesis se persigue el accionamiento de un vehículo autónomo (robot móvil), haciendo uso de un control y supervisión remota mediante un dispositivo móvil inteligente.
Vehículo autónomo (robot móvil) (figuras 18, 19 y 20)

Control. Un diagrama básico de diferentes sensores, algoritmos y controles de dirección común mente aplicados a vehículos autónomos, se presente en la figura 21.

En la figura 22, se presentan algunos ejemplos de dispositivos móviles inteligentes los cuales permitirán la supervisión de una manera remota.

Supervisión remota mediante un dispositivo móvil inteligente

• Smartphone (teléfono inteligente)
• Tablet
• Laptop
• Notebook

3 FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA

Siguiendo los dos primeros objetivos particulares establecidos, es necesario el comprender el funcionamiento de un dispositivo móvil inteligente para monitoreo y control de variables, así como desarrollar un programa en LabVIEW que logre comunicación vía red con dispositivo móvil inteligente.

Tal y como se establece en el objetivó, se va a utilizar el software NI LabVIEW (figura 23) el cual es el entorno de desarrollo grafico para resolver problemas de medidas y de control. A la par de LabVIEW se utilizan las librerías de LabVIEW que son RCF (Remote Control Framework) y SCCT (Smarthphone & Cross-platform communication Toolkit) desarrolladas por la compañía T4SM (Tools For Smart Minds) (figura 24).

El uso de este software permite la intercomunicación de las capas de control, los dispositivos físicos de adquisición de señales (DAQ o sensores), así como la interface del usuario, ya que realiza la gestión total de la comunicación entre las diferentes partes del sistema (figuras 25 y 26).

Dentro de la parte de modelado de sistemas, hasta este periodo se estuvieron realizando ejercicios, ya que no es una materia que se impartiera de manera normal en la carga de Ingeniería en Electrónica. Dentro de los diferentes modelos revisados, se encuentran los siguientes:

• Circuitos eléctricos.
• Sistemas mecánicos y mecánicos trasnacionales.
• Sistemas mecánicos rotacionales y rotacionales con carga.

4 RESULTADOS

Dentro de los resultados que se han logrado hasta el momento basado en los objetivos establecidos, se encuentra:

Interface básica de comunicación entre LabVIEW y el Smartphone para el envío de una señal analógica y una serie de parámetros digitales y creación de manuales (figuras 27 y 28). Sin tratarse de resultados personales, pero sí de gran relevancia, alumnos del 9no cuatrimestre de Ingeniería en Mecatrónica ya lograron esta comunicación y su implementación exitosa en la configuración de los parámetros necesarios para el control difuso de un sistema de flujo mediante.

5 TRABAJOS FUTUROS

Además de formalizar aún más esta base del estado del arte de vehículos autónomos y reforzar el conocimiento de las interfaces entre el dispositivo físico (figura 34), el control y la configuración de variables remotas, se tiene aún que cumplir con varios de los puntos faltantes establecidos dentro de los objetivos particulares.

• Modelar el vehículo autónomo o en su defecto el motor con carga.
• Analizar y decidir qué variable se controlará.
• Analizar y decidir qué técnica de control utilizar de acuerdo al sistema.

6 CONCLUSIONES

• Dentro de lo que se ha conseguido hasta el momento se puede resumir de manera muy concreta en los siguientes puntos.
• Monitoreo y control de variables. Aun se tiene mucho campo de exploración y de trabajo.
• Comunicación con dispositivo móvil. Se han tenido problemas con el software de prueba pero ya se está cotizando el software para su compra.
• Modelo de vehículo autónomo o motor con carga. Aun no se tiene bien definido qué tipo de vehículo se va a analizar o que motor se piensa implementar, así que continúa como proyecto futuro.
• Técnica de control a utilizar. Se han estudiado en pregrado control mediante redes neuronales, control inteligente, lógica difusa, control digital y control análogo, pero es aún un poco prematuro el delimitar la aplicación de uno, sin que se tenga el modelo del vehículo.

REFERENCIAS
Alonso Mora, J. B. (s.f.). Multi-robot System for Artistic Pattern Formation. Obtenido de Autonomous systems Laboratory, ETH Zurish Disney Research Zurich: www.asl.ethz.ch
Álvarez-Gallegos, J. C.-L.-S. (2014). Modelado Dinámico y Control de un Robot Móvil con Distribución de Masa No Uniforme. Memorias del XVI Congreso Latinoamericano de Control Automático, CLCA 2014, (págs. 457-462). Cancún, Quintana Roo, México.
Delgado-Báez, J. A.-L.-V. (2014). Formación de Robots Móviles Omnidireccionales Considerando su Modelo Dinámico. Memorias del XVI Congreso Latinoamericano de Control Automático, CLCA 2014, (págs. 600-605). Cancún, Quintana Roo, México.
Ho, M. C. (2012). A novel fused neural network controller for lateral control of autonomous vehicles. Applied Soft Computing, 3514-3525.
Makela, H. V. (2001). Development of a navigation and control system for an autonomous outdoor vehicle in a steel plant. Control Engineering Practice, 573-583.
Mousazadeh, H. (2013). A technical review on navitation systems of agricultural autonomous off-road vehicles. Journal of terramechanics, 211-232.
Ogata, K. (1998). Análisis de la respuesta transitoria. En K. Ogata, Ingeniería de Control Moderna (pág. 143). Minnesota: Prentice Hall, Pearson.
Reyes-Báez, R. E.-S.-V.-M.-C. (2014). Robust Linear Velocity Control of a Car-Like Mobile Robot for Outdoor Applications. Memorias del XVI Congreso Latinoamericano de Control Automático, CLCA 2014, (págs. 624-629). Cancún, Quintana Roo, México.
Strickland, E. (28 de Febrero de 2014). Meet the Robots of Fukushima Daiichi. Obtenido de IEEE Spectrum: http://spectrum.ieee.org/slideshow/robotics/industrial-robots/meet-the-robots-of-fukushima-daiichi
T4SM. (2014). T4SM. Obtenido de RCF User Manual: http://www.toolsforsmartminds.com/products/remote_control_for_labview.php
Velasco-Villa, M. M.-G.-S.-C.-R. (2014). Esquema Predictor-Observador para el Control de un Robot Móvil Omnidireccional con Retardos de Tiempo. Memorias del XVI Congreso Latinoamericano de Control Automático, CLCA 2014, (págs. 78-83). Cancún, Quintana Roo, México.