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Estimación de posición y control de vehículos autónomos a elevada velocidad

  • Autores: Angel Rodríguez Castaño
  • Directores de la Tesis: Aníbal Ollero Baturone (dir. tes.), Blas Manuel Vinagre Jara (dir. tes.)
  • Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2007
  • Idioma: español
  • Número de páginas: 207
  • Enlaces
    • Tesis en acceso abierto en: Idus
  • Resumen
    • El objetivo global de esta tesis es el diseño y desarrollo de algoritmos para el guiado autónomo de vehículos convencionales; es decir, vehículos con direccionamiento Ackerman. Estos algoritmos deben tener buenas prestaciones para cualquier velocidad y peso del vehículo, y deben ser fácilmente ajustables para cada vehículo específico. Este objetivo global se ha desarrollado conforme a los siguientes objetivos parciales:

      - Evaluación de sensores para su uso en un sistema de estimación de posición para vehículos convencionales en exteriores. Dado que los sensores se van a utilizar en unos vehículos convencionales, no es posible utilizar sensores cuya instalación requiera de una modificación compleja de un vehículo y además se deben tener en cuenta las características y los problemas de ubicación que se pueden presentar. Un ejemplo es el freno magnético que poseen los camiones, y que pueden afectar al funcionamiento de un compás magnético. En la mayoría de los casos tampoco es posible colocar los sensores en el centro de gravedad del vehículo, que es el lugar más conveniente. Además, como los sensores se van a utilizar a velocidades de hasta 28 m/s (100 km/h) y a velocidades de giro de hasta 30 o/s, es necesario que los sensores presenten buenas prestaciones en esas condiciones.

      - Desarrollo de un sistema robusto y fiable de estimación de posición que permita realizar el guiado de vehículos en exteriores y a velocidades altas. En el guiado de vehículos en exteriores es muy común el empleo de receptores GPS para determinar la posición del vehículo. Sin embargo, este tipo de dispositivo presenta algunas limitaciones en cuanto a la frecuencia y retardo con que se dispone de las medidas. Además este dispositivo no preserva la integridad de las medidas; es decir, puede dar errores puntuales grandes. Para resolver estos problemas se han planteado diversas técnicas para fusionar medidas GPS con otros sensores.

      - Diseño y desarrollo de métodos de seguimiento de caminos que sean sencillos y fácilmente adaptables a diversos vehículos. Existe una gran variedad de métodos y técnicas para el seguimiento de caminos. Algunas de ellas proponen controladores que dependen de un conjunto de parámetros, los cuales es necesario ajustar para un correcto funcionamiento del controlador en cada vehículo concreto. Si el conjunto de parámetros es grande o si los parámetros son difíciles de determinar, el proceso de ajuste puede ser largo y tedioso. Un ejemplo son los métodos que emplean modelos complejos de la dinámica del vehículo, y que dependen de parámetros como el coeficiente de adhesión neumático-suelo, del sistema chasis-amortiguador del vehículo, etc. En ocasiones algunos de los parámetros pueden variar con el tiempo, debido por ejemplo a la variación del peso en un vehículo de carga o al tipo de superficie por la que se circula. Esto ocurre con la ubicación del centro de gravedad y con el coeficiente de adhesión neumático-suelo, por ejemplo.

      - Establecer la viabilidad del guiado de vehículos pesados utilizando métodos sencillos. Es evidente que un controlador que no tenga en cuenta los efectos dinámicos en la navegación de vehículos pesados a velocidades altas, no puede ofrecer las mismas prestaciones que un controlador que sí lo tenga en cuenta. Sin embargo, los errores cometidos en el modelado de esos efectos pueden ser corregidos en parte por el controlador, y se puede plantear la siguiente cuestión: ¿Qué es mejor, un controlador óptimo con un ajuste complicado y específico para cada vehículo y condiciones de navegación, o un controlador con buenas prestaciones y un ajuste sencillo y único para cada vehículo? Obviamente la respuesta depende de cómo de buenas sean las prestaciones del controlador sencillo. Para poder responder a esta pregunta se han realizado en esta tesis extensos experimentos en pistas de asfalto y tierra. Estas pistas tienen una longitud de entre 3 y 10 km y se ha rodado durante varios cientos de kilómetros con cada uno de los vehículos.

      La memoria de esta tesis se ha estructurado en 6 capítulos más los apéndices y referencias bibliográficas. Excepto este capítulo y el dedicado a las conclusiones y desarrollos futuros, cada capítulo comienza con una introducción que presenta el problema abordado junto con una breve exposición del contenido, y termina con unas conclusiones, que destacan los aspectos más relevantes de cada capítulo. No se ha dedicado un capítulo específico para los resultados de simulaciones y experimentos, sino que ´estos se han incluido en cada uno de los capítulos.

      En el capítulo 2 se presentan los modelos de los vehículos que se han utilizado en esta tesis en el análisis, simulación y diseño de los controladores. En el capítulo se muestran los modelos y se justifica su uso mediante resultados experimentales.

      El capítulo 3 trata la estimación de posición de vehículos en exteriores mediante la fusión de datos procedentes de diversos sensores. Se realiza una evaluación de distintos sensores a utilizar y se selecciona un conjunto de los mismos para implementar el sistema de estimación de posición. A continuación, se comparan diversas técnicas de fusión de datos para seleccionar la más adecuada. Entre esas técnicas se incluyen un filtro de Kalman extendido y un filtro de Kalman desacoplado para posición y orientación. Como resultado de esa comparativa se propone una técnica de fusión de datos mediante el uso de lógica borrosa.

      Las aportaciones al seguimiento de caminos se han desglosado en dos capítulos, el 4 y el 5, que tienen estructura y enfoques distintos, y que se justifica a continuación. El capítulo 4 comienza con el estado del arte de las técnicas de seguimiento, y se centra en las aportaciones realizadas al seguimiento de caminos mediante persecución pura con distancia de adelanto supervisada. En este capítulo se justifica la estabilidad del controlador, tomando como punto de partida el análisis y resultados de [Heredia, 1999], y se indica como influye la estabilidad en el diseño del controlador. Las prestaciones del controlador se comprueban y validan mediante numerosos resultados experimentales. Los experimentos de este capítulo se han realizado con los vehículos Scania y Caterpillar hasta 28 m/s. El análisis de los resultados obtenidos muestra la viabilidad de aplicar las técnicas presentadas a vehículos pesados y a velocidades altas.

      En el capítulo 5 se presenta un nuevo método de guiado de vehículos, denominado controlador en cascada, y por tanto se incluye en este capítulo el análisis de estabilidad, que es original de esta tesis, y de las prestaciones del controlador, así como las comparativas en simulación y experimentos con otros métodos. En este caso los experimentos se han realizado con el vehículo Romeo 4R, al no poder disponerse para los mismos de los vehículos Scania y Caterpillar. De esta forma, aunque los resultados del controlador para velocidades altas (10-30 m/s) son bastante buenos en las simulaciones, no se han incluido al no poder validarse experimentalmente dadas las limitaciones del vehículo Romeo 4R (hasta 3 m/s). Es decir, el objetivo al diseñar este controlador, como los anteriores, ha sido su validez hasta 30 m/s, pero sólo se ha podido validar en simulación y no con experimentos. Esta diferente naturaleza del controlador presentado así como las limitaciones en los experimentos hace que se hayan incluido en un capítulo distinto.

      En el último capítulo se recogen las conclusiones más significativas y se establecen las posibles extensiones y líneas futuras relacionadas con el trabajo desarrollado en esta tesis.

      El apéndice A describe los vehículos Scania y Caterpillar. Esta descripción incluye la mecánica, su adaptación para el guiado autónomo, los actuadores, sensores, dispositivos electrónicos, y la arquitectura del software de control de los mismos. Por último, en el apéndice B se presenta el vehículo Romeo 4R con sus principales elementos hardware y software.


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