MEMORIA DE TESIS Para obtener el Título en:
Ingeniería en Robótica Industrial de la ESIME Unidad Azcapotzalco
Por
Adriana Pérez Pedraza Miguel Alejandro Ruiz de los Santos
ESIME Unidad Azcapotzalco 2010
Supervisado por:
Dr. Bernardino Benito Salmerón Quiroz
permita la ubicación del vehículo en el espacio.
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vii
su apoyo incondicional sin el cual no hubiera sido posible la realización de este proyecto, así como al Dr. Gerardo Villegas y al Dr. Salvador Rodríguez por sus enseñanzas.
Gracias a mi compañero de tesis Miguel Alejandro por su ingenio y entusiasmo por desarrollar este proyecto.
A Adriana gracias por aguantarme tanto tiempo e intentarme comprender así como por ser tan comprometida en todo lo que hace.
A mis amigos que son la fuente de inspiración en todas mis locuras.
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Lista de Tablas xix
INTRODUCCIÓN xxi
Justificación xxiii
CAPITULO PAGINA
1 Estado del Arte 1
1.1 Planteamiento del Problema . . . 1
1.2 Antecedentes de la robótica . . . 2
1.3 Vehículos autónomos . . . 3
1.3.1 Tipos de vehículos autónomos . . . 4
1.3.1.1 Vehículos Autónomos Marinos . . . 4
1.3.1.2 Vehículos Autónomos Aéreos . . . 15
1.3.1.3 Clasificación . . . 16
1.3.1.4 Grado de autonomía . . . 20
1.3.1.5 UAV funciones . . . 22
1.3.1.6 Drones . . . 23
1.3.1.7 Vehículos Autónomos Terrestres . . . 29
2 Marco Teórico 35 2.1 Arquitectura de los robots . . . 36
2.1.1 Arquitectura reactiva . . . 36
2.1.2 Arquitectura deliberada . . . 37
2.1.3 Arquitectura híbrida de 3 capas . . . 37
2.2 Aspecto mecánico . . . 38 xi
2.3.1 Tipo de sensores utilizados en vehículos autónomos . . . 40
2.3.2 Tipos de sensores utilizados en la navegación de vehículos aéreos autónomos 43 2.3.2.1 Sensores Inerciales . . . 44
2.4 Metodología de Control . . . 45
2.4.1 Redes neuronales artificiales (RNA) . . . 46
2.4.2 Lógica difusa . . . 49
2.4.2.1 Aplicaciones de la Lógica Difusa a un Robot Móvil . . . 50
2.5 Parametrización de la orientación en el espacio . . . 50
2.5.1 Ángulos de Euler . . . 50
2.5.1.1 Ángulos de navegación . . . 52
2.5.2 Cuaterniones . . . 53
2.6 Telemetría . . . 55
2.7 Tipos de controladores . . . 57
2.7.1 FPGA . . . 58
2.7.2 DSP . . . 58
2.7.3 Microcontroladores . . . 59
2.7.4 Microprocesadores . . . 61
2.8 Metodología y lenguajes de programación usadas . . . 61
2.8.1 Labview . . . 62
2.8.2 Programación en LabVIEW . . . 62
2.8.3 Lenguaje Ensamblador . . . 63
2.8.4 Lenguaje de programación C . . . 65
2.8.5 Lenguaje de programación C++ . . . 65
2.9 Sistema Scada . . . 66
2.9.1 Elementos del sistema . . . 67
2.10 Monitoreo Automático . . . 68
2.10.1 Elementos físicos de un sistema de monitoreo por PC . . . 71
2.10.2 Adquisición y tratamiento de señales . . . 74
2.11 Concepto de helicóptero . . . 78
2.11.1 Características de un helicóptero . . . 79
2.11.1.1 Geometría del rotor y palas . . . 79
2.11.1.2 Perfiles de palas . . . 79
2.11.1.3 Distribución de presiones y fuerzas en las palas . . . 80
2.11.1.4 Efecto suelo . . . 82
2.11.1.5 Efectos del par motor. El Rotor de cola . . . 82
2.11.1.6 Pilotaje de un helicóptero de radio control . . . 83
3 Diseño Conceptual 85 3.1 Requerimientos del sistema . . . 85
3.2 Descripción del vehículo . . . 86
3.3 Elementos del sistema de orientación . . . 87
3.4 Dispositivos de adquisición de datos . . . 89
3.5 Actuadores del sistema . . . 91 xii
5 Conclusiones y trabajos posteriores 125
6 Costos y viabilidad 129
6.1 Costos de inversión . . . 129 6.2 Costos y beneficios de explotación . . . 131
Referencias 133
xiii
1.5 Submarinos Autónomos de investigación e inspección para uso alrededor del mundo. 12
1.6 Vehículo Operado Remotamente (ROV) . . . 13
1.7 Vehículo Autónomo Submarino para estudio del litoral . . . 14
1.8 Proyecto ESEOO . . . 15
1.9 Micro UAV (EURO UVS, Georgia Tech) . . . 17
1.10 Vehículos de Alcance Cercano. . . 18
1.11 Vehículos de medio y largo alcance (EURO UVS). . . 19
1.12 Avión Autónomo "Skat" (raya) . . . 24
1.13 Esquema de fuerzas quadri-motor y pares de cada motor . . . 26
1.14 Respuesta inestable del quadri-motor cuando se utiliza el controlador lineal LQR al sub-sistema (φ, y). a) . . . 28
1.15 Respuesta del quadri-motor cuando se utiliza el algoritmo de control propuesto, sujeta a perturbaciones en los ejes x, y y z. Las líneas punteadas representan la trayectoria deseada. Las condiciones iniciales son (x, y, z) = (9, 12, 0) cm y (ψ, θ, φ) = (0o, 0o, 0o). . . 28
1.16 Proyecto AUTOPÍA. Detalle de la ubicación del sistema de medida inercial y de la antena de recepción de la señal GPS . . . 31
1.17 Auto "Espíritu de Berlín" . . . 32
1.18 Vehículo autónomo aplicado a la minería subterránea . . . 33
2.1 Arquitectura de las tres capas . . . 37
2.2 Software para la estación de tele operación del RMTO I [Cerón,2008] . . . 40
2.3 Estación de control del UAV EFIGENIA.[Cerón,2008] . . . 41
2.4 Entrada de información a una neurona y salida dada por funciones . . . 46
2.5 Esquema de modelización inversa directa . . . 48 xv
2.7 Esquema de modelización inversa directa . . . 49
2.8 Ángulos de Euler [Gavilán,2006]. . . 51
2.9 Representación gráfica de las unidades de producto como cuaternión 90◦de rotación en 4D-espacio,i j= k, ji = −k, ij = −ji . . . 54
2.10 Módulo telemático STD32 de Telic GmbH [Telit] . . . 57
2.11 Esquema de un microcontrolador. . . 60
2.12 Panel frontal de un VI [Butron,2007] . . . 63
2.13 Diagrama de bloques de un VI [Butron,2007] . . . 64
2.14 Elementos del Sistema Scada [Henry] . . . 68
2.15 Etiquetas triage manual [Abril,2007] . . . 70
2.16 Nodo red de sensores CEI [Abril,2007] . . . 71
2.17 Componentes de un sistema de monitoreo. . . 72
2.18 Software para monitoreo . . . 73
2.19 Control de la posición de una aeronave como ejemplo de proceso físico [Antonio, 2001] . . . 75
2.20 Sistema de adquisición de datos y control. [Antonio,2001] . . . 75
2.21 Entorno integrado para la captación de datos. . . 77
2.22 Clasificación de helicópteros [Baracala,2007] . . . 78
2.23 Ángulo de ataque e incidencia [del Cerro,2007] . . . 80
2.24 Fuerza aerodinámica [del Cerro,2007] . . . 81
2.25 Rotores en un helicóptero Sirkoski 60 [Baracala,2007] . . . 83
2.26 Rotor de un helicóptero de radio control [del Cerro,2007] . . . 84
3.1 Raptor 60 V2. . . 87
3.2 Giróscopo GY401 . . . 88
3.3 Acelerómetro [del Cerro,2007] . . . 89
3.4 Tren de pulsos generado por el control Futaba T7C . . . 90
3.5 Control remoto Futaba T7C . . . 91
3.6 Motor OS Hyper 50 . . . 92
3.7 Tarjeta de sonido Sound Blaster Live 5.1 . . . 93
4.1 Central Inercial 3DM-GX1 de MicroStrain . . . 98
4.2 Programa básico en LabVIEW para obtener los ángulos de Euler en la 3DM-GX1 . 99 4.3 Plano de referencia para la orientación en el vehículo . . . 99
4.4 Modelo 3D del motor OS HYPER 50 en VRML . . . 100
4.5 Rotor principal a detalle en VRML . . . 101
4.6 Rotor de cola en VRML . . . 101
4.7 Escape del vehículo en VRML . . . 102
4.8 Textura aplicada a la cola del vehículo VRML . . . 103
4.9 Textura aplicada a la central inercial del modelo VRML . . . 103
4.10 Textura aplicada a los servomotores del modelo VRML . . . 104
4.11 Diagrama general del código VRML . . . 104
4.12 Modelo a escala del vehículo en VRML . . . 105 xvi
de sonido. . . 116 4.22 Circuito de tratamiento de señal PPM. . . 117 4.23 Señal PPM generada en LabVIEW y medida con el osciloscopio a la salida del
circuito de tratamiento de señal. . . 119 4.24 Proceso de comunicación inalámbrica PC - Vehículo de forma esquematizada (Sis-
tema SCADA). . . 121 4.25 Control de canales en LabVIEW. . . 122 4.26 Pantalla de monitoreo de la orientación utilizando el modelo del vehículo en VRML
así como instrumentos virtuales de navegación . . . 123
xvii
6.3 Costos de ingeniería e implementación. . . 131 6.4 Costo Total . . . 131
xix
y habilidades relacionadas con Ingeniería Mecánica, Aeronáutica, Materiales, Electrónica, Comu- nicaciones y Tecnologías de Información, entre otras.
El objetivo es el de controlar y monitorear un vehículo aéreo no tripulado o robot aéreo, que a futuro permita el desarrollo de un vehículo autónomo o semiautónomo que cubra diferentes tipos de misiones desde los sectores de defensa y seguridad a los de agricultura o medio ambiente. Para tal efecto se realizará una simulación virtual de vuelo así como validación de monitoreo a distancia del helicóptero mediante la fusión de datos provenientes de sensores especializados que permita la ubicación del vehículo en el espacio.
Objetivos Particulares:
• Creación de una interfaz de comunicación inalámbrica entre la PC y el vehículo
• Modelado de orientación utilizando el formalismo ángulos de Euler.
• Implementación y simulación del sistema mecánico usando software especializado (Mecha- nical Desktop y VRML).
xxi
LabVIEW.
• La estabilidad global del sistema debe ser probada de manera teórica y en simulación. Cons- trucción del prototipo.
xxii
El uso de un UAV que, aun siendo tele-controlado sea fácil de usar, no ha sido desarrollado ple- namente, por lo que se propone en este trabajo de tesis un vehículo que incorpore la instrumentación necesaria para su estabilización automática y su guiado de manera simple, con instrucciones de alto nivel. Para así llevar a cabo ensayos tanto de simulaciones de vuelo como de vuelos reales. Los principales aspectos del programa son la reducción de riesgos, la evaluación de tecnologías clave y la generación de conceptos operacionales para futuros sistemas UAV. En este proyecto se desea implementar técnicas de diseño, control y modelado de realidad virtual para la validación de vuelo de un vehículo autónomo aéreo.
El presente proyecto de investigación responde a la necesidad de buscar innovaciones en la robótica móvil y ventajas aplicables a los sectores en donde el ser humano corre riesgos de salud, o de difícil acceso, etc. Se pretende realizarlo optimizando materiales, costos con lo cual en el sistema móvil se considera las siguientes ventajas:
1. El diseño del vehículo autónomo móvil (UAV por sus siglas en Inglés) debe ser minimizando xxiii
xibilidad en el momento de realizar alguna maniobra. Cuidando los aspectos de balance y distribución del peso, y buscando materiales ligeros.
2. El vehículo debe ser capaz de realizar sus tareas de navegación de forma independiente. Éste se plantea como uno de los objetivos principales del sistema de navegación a desarrollar. La autonomía a nivel de navegación debe ser completa, es decir, una vez conocido el destino, el vehículo debe utilizar sus sensores y procesadores para alcanzarlo sin ningún tipo de inter- vención del usuario, incluso en posibles situaciones de pérdida. Sin embargo, este concepto de autonomía no debe aislar al UAV de la comunicación y la descripción de la trayectoria con el usuario, que podrá modificar en cualquier momento puede modificar el objetivo (y por tanto el destino del sistema de navegación) mediante el uso de las interface usuario-máquina de que está dotado el vehículo autónomo móvil para facilitar la interacción con el usuario.
3. Fiabilidad de sistema de navegación son objetivos prioritarios frente a la precisión de los movimientos. Es más importante que el vehículo finalmente llegue a su destino, y de que disponga de una precisa localización durante su movimiento hacia el mismo. De hecho, las fuentes de incertidumbre a las que pueden estar sometidos los sistemas sensoriales del robot son múltiples, especialmente en aplicaciones en las que además existe un grado elevado de interacción con el usuario, cuyas reacciones u ordenes pueden ser impredecibles, no importa que el robot pueda perderse durante ciertos espacios de tiempo si es capaz de recuperarse por sí mismo de dicha situación, evitando de este modo la intervención de un usuario que supervise sus operaciones.
4. Una característica fundamental para impulsar el robot móvil desde el punto de vista comercial es que éstos sean fácilmente instalables y configurables en nuevos espacios de movimiento.
Esto permitiría el diseño de robots "en serie", evitando el elevado costo que suponen los diseños o particularizados para cada entorno de trabajo. Como ya se ha comentado con an- terioridad, no existen métodos de navegación que puedan ser generalizados y utilizados en
xxiv
sensorial o de actuación.
6. La arquitectura del programa de monitoreo de la orientación propuesta en este trabajo será validada mediante simulación de un vehículo aéreo tipo helicóptero raptor y su maniobra en entornos reales, por lo que otro objetivo fundamental es asegurar que los algoritmos desa- rrollados puedan ejecutarse en tiempo real con los recursos computacionales y de memoria propios de las plataformas robótica, y la creación del recorrido en la PC.
Productos o Resultados Esperados:
Además del reporte técnico solicitado del trabajo de investigación realizado, se prevén los si- guientes productos:
1. Diseño del programa de monitoreo de la orientación en tiempo real.
2. Diseño del programa e interfaz electrónica para enlazar comunicación en tiempo real entre el vehículo y la PC
3. Diseño de interfaces gráficas.
4. Simulación y validación del sistema en 3D.
5. Implementación del desarrollo tecnológico.
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La seguridad hoy en día es una de las preocupaciones que mas envuelve la mente de las personas y especialmente la de los mexicanos debido a la situación actual de inseguridad e impunidad que vivimos. Por tal motivo es de gran importancia contar con herramientas que faciliten la tarea de velar por la seguridad de las personas. El tiempo transcurrido para intervenir en un siniestro tal como incendios, derrumbes, inundaciones es vital ya que de ello dependen vidas humanas, así como grandes costos monetarios, por tal razón es importante detectar dichos siniestros para una pronta acción con resultados favorables.
Existen espacios de gran importancia para que las personas desarrollen sus actividades, espacios que permiten la recreación, el abastecimiento de productos, las transacciones monetarias sin hacer a un lado los lugares de trabajo y aun mas importante el hogar, de tal manera que es primordial contar con vigilancia que además provea de información acerca de lo que acontece alrededor de dichos lugares, contando con seguimiento de personas para su propia seguridad o la de la sociedad para la detección de delincuentes.
Para dar una posible solución a estos problemas se plantea la utilización de un vehículo aéreo no tripulado, específicamente un helicóptero a escala equipado con una cámara para video-vigilancia, sin embargo, se limita este proyecto a la creación de la interfaz inalámbrica PC-Vehículo, desarrollo
1
de un programa de monitoreo en tiempo real y la creación de un programa de manipulación de los servomotores que controlan los diferentes mecanismos del vehículo. Esto con la finalidad de proporcionar una mayor seguridad a la sociedad en sus lugares de trabajo, hogar y recreación.
1.2 A
NTECEDENTES DE LA ROBÓTICALa historia de la tecnología está formada por tres períodos principales: era agrícola, era indus- trial y era de la información. El desarrollo de los robots se puede ver como lógica e importante parte de la historia. A mediados del siglo XVIII, los molinos de agua, la máquina de vapor y otros transformadores de energía reemplazaron la fuerza humana y animal como fuente principal de energía. Las nuevas máquinas de fabricación impulsaron el crecimiento de la industria y mucha gente pasó a estar empleada en las nuevas fábricas como trabajadores. Los bienes se producían más rápidamente y mejor que antes y la calidad de vida aumentó. A este período se le conoce como
"Revolución Industrial". En la mitad del siglo XX surgen las industrias basadas en la ciencia, las mejoras tecnológicas en la electrónica hicieron posible el ordenador. Este constituye el desarrollo más importante, el ordenador revolucionó el modo de procesar y comunicar la información. Como resultado la información se ha convertido en un bien más del mercado y esta nueva era se conoce como la era de la información o "post-industrial".
Aunque los robots ocasionen cierto desempleo, también crean puestos de trabajo: Técnicos, comerciales, ingenieros, programadores, etc. Los países que usen eficazmente los robots en sus industrias tendrán una ventaja económica en el mercado mundial. [Web Electrónica] Los robots son usados hoy en día para llevar a cabo tareas sucias, peligrosas, difíciles, repetitivas o embotadas para los humanos. Esto usualmente toma la forma de un robot industrial usado en las líneas de produc- ción. Otras aplicaciones incluyen la limpieza de residuos tóxicos, exploración espacial, minería, búsqueda y rescate de personas y localización de minas terrestres.
La manufactura es el principal mercado donde los robots son utilizados. En particular, robots
de cirugía invasiva mínima. La automatización de laboratorios también es un área en crecimiento.
Aquí, los robots son utilizados para transportar muestras biológicas o químicas entre instrumentos tales como incubadoras, manejadores de líquidos y lectores. Otros lugares donde los robots están reemplazando a los humanos son la exploración del fondo oceánico y exploración espacial. Para esas tareas, robots de tipo artrópodos son generalmente utilizados. [Wikipedia]
1.3 V
EHÍCULOS AUTÓNOMOSUn vehículo autónomo es cualquier vehículo no tripulado con cierto nivel de autonomía in- tegrada (ello incluye desde vehículos teleoperados hasta vehículos totalmente inteligentes) [FSC, 2007].
El objetivo del control de vehículos autónomos es que el vehículo ejecute de forma autónoma movimientos previamente planificados, es decir, seguimiento de trayectoria o ’path following’ o los que permiten reaccionar de forma apropiada a la percepción del entorno. De hecho, cualquier sistema autónomo que implique movilidad necesita una planificación de trayectoria. Este problema esta ampliamente documentado en el campo de los sistemas robóticos y manipuladores, sin embargo el desarrollo de los vehículos anteriormente comentados ha ampliado su campo de utilización.
Recientes avances tecnológicos, como la miniaturización de sensores (centrales inerciales, GPS,
cámaras, etc), el desarrollo de microcontroladores etc., han permitido realizar sistemas empotra- dos que permiten la implementación de plataformas experimentales para el desarrollo de sistemas autónomos.
Los vehículos y robots móviles se utilizan como plataforma para la solución de problemas planteados en distintos sectores de la industria, en el área militar y si el costo lo permite también en actividades civiles.
Por otro lado, el uso de vehículos autónomos no tripulados está teniendo un importante creci- miento en un amplio rango de aplicaciones como pueden ser reconocimiento climático y atmos- férico, reconocimiento y vigilancia, técnicas de combate convencionales, nuevas tareas que no eran posibles anteriormente como consecuencia de unas condiciones adversas tareas pesadas, condi- ciones desfavorables, peligrosas como operaciones en ambientes químicos y biológicos agresivos [Aranda,2008].
El trabajo que se requiere para la creación de cualquier vehículo es muy extenso y no esta exento de algún financiamiento cuantioso. Por esto muchos centros de investigación optan por adaptar vehículos normalmente diseñados para manejo humano y así enfocarse en el desarrollo de tecnología de más alto nivel, como el caso es el caso de planeación de trayectorias o tareas mucho más especificas que solo requieren al vehículo para transportar sistemas más sofisticados [Matchain, 2001] (ver figura1.1).
1.3.1 TIPOS DE VEHÍCULOS AUTÓNOMOS
Dentro de los vehículos autónomos existes diversos tipos, clasificando estos de acuerdo al medio físico en el cual se desenvuelven por tal razón se organizan en los siguientes grupos:
1.3.1.1 VEHÍCULOSAUTÓNOMOSMARINOS
Un Vehículo Autónomo Marino (VAM) es aquel equipo mecánico que se pueda mover sobre la superficie marina o emerger en ella (submarinos) que pueda portar o transportar un objeto o sistema, denominados también UMV (Unmanned Marine Vehicle).
Figura 1.1:Ejemplo de Vehículos Autónomos Marinos
Los VAM tienen algunas de las siguientes características:
• No tripulado
• Capaz de operar sin vínculos físicos, ni otra fórmula de control directo
• Propulsión propia
• Autonomía operacional: capaz de tomar decisiones (on-board)
Debido a los grandes costos que se generan por la implementación de vehículos autónomos no tripulados llegan a ser grandes se opta por la adaptación de un vehículo diseñado en primera instancia para utilización humana lo cual no es siempre la mejor opción. Esto es debido a que la propia naturaleza bajo la cual fueron diseñados los sistemas mecánicos y eléctricos impiden un óptimo control de alta precisión que requieren algunas tareas, sobre todo aquellas en las que el vehículo debe ser altamente maniobrable y preciso.
Este problema de adaptabilidad es más notorio en vehículos submarinos, debido en gran medida a que el acceso a este tipo de vehículos queda restringido a organizaciones militares y solo algunas cuantas de investigación submarina. La utilización de estos submarinos en el primero de los casos
se restringe a ser utilizados simplemente como plataformas de lanzamiento, y en el segundo su finalidad es funcionar principalmente como observatorios acuáticos [Matchain,2001].
Ahora es posible observar e incluso trabajar a distancia debajo del agua sin necesidad de ser buzos profesionales. Los robots de exploración son capaces de descender a 50 metros, 100m. 150m.
o incluso mayores profundidades. Profundidades a las que es imposible descender con traje de buzo sin correr un peligro mortal debido a la toxicidad del aire a esas profundidades y a los peligros derivados de la narcosis y de los ataques de descompresión [Mayer,2009].
Es importante el desarrollo de tecnologías que mejoren las aplicaciones de los VAM, logrando con ello éxito en las misiones planteadas para dichos vehículos. El procesamiento de datos es pri- mordial para obtener información verídica y oportuna, una de las tecnologías para el procesado de datos son los instrumentos hiperespectrales que suponen un cambio cualitativo en los sistemas de medida no invasiva y percepción remota. Con la aparición de los sensores hiperespectrales aero- transportados se han desarrollado diferentes aplicaciones de análisis de imágenes de alta resolución espectral. Este tipo de aplicaciones permite, por ejemplo, la clasificación más detallada de fondos marinos someros , la calidad del agua o la identificación de pigmentos [CSIC].
En los últimos años diferentes universidades han apostado por el desarrollo de nuevos sistemas de instrumentación. A partir de los proyectos SAMPLER (Desarrollo de un Sistema de adquisición y Análisis de datos oceanográficos de Microestructura y Perfiles hiperespectrales) e HIDRA (Ca- racterización Hiperespectral del ambiente lumínico en el océano mediante modelos de transferencia radiativa) se ha iniciado la línea específica de instrumentación hiperespectral que servirá de base para el proyecto solicitado.
Los VAM cuentan con muchas aplicaciones tales como:
Aplicaciones industriales en el océano:
• Inspecciones de tuberías y cables submarinos (Eléctricos y de comunicaciones).
• Mapeo de precisión del fondo marino para evaluaciones hidrográficas y planeación de cables submarinos y tuberías sumergidas.
Figura 1.2:Inspección y mantenimiento preventivo de instalaciones submarinas
• Soporte logístico para instalaciones de cable, tubería y construcción submarina.
• Evaluación ambiental de sitios de descarte de desechos críticos ambientales.
• Preparación y ejecución de actividades de rescate y salvamento.
• Preparación fílmica de documentales para cine y televisión.
• Actividades de seguridad y protección de instalaciones costeras y submarinas.
• Evaluaciones de Sonar Naval y Ejercicios Militares.
• Rescate Marino.
• Detección y Neutralización de Minas.
• Identificación/Recuperación de objetos submarinos.
Aplicaciones educacionales y de investigación:
• Biología Marina.
• Arqueología Marina.
• Monitoreo de ecosistemas.
• Tecnologías del fondo del mar.
• Estudios de hábitat marino.
• Estudios de migración.
• Estudios geológicos.
• Muestreo de aguas y sedimentos.
• Muestreo de especies marinas.
Este tipo de vehículos autónomos utilizan sensores como:
• Sensores sonares.
• Rango de sonares.
• Sensores del Snorkel.
• Sensor de velocidad lineal.
• Sensores de presión.
La frecuencia de operación determina la precisión y la amplitud de la zona de barrido.
En la Universidad de Washington (UW) se desarrollaron cuatro vehículos que fueron llamados
"Seagliders" (planeadores subacuáticos) por sus creadores en la Escuela de Oceanografía y el La- boratorio de Física Aplicada de la UW, son vehículos con forma de torpedo, de casi dos metros de largo. Se mueven por el agua sin depender de hélices, pasando mucho tiempo bajo el agua y dedicados a realizar mediciones oceanográficas. Los planeadores son los vehículos de mayor
Figura 1.3:Ejemplo de imágenes obtenidas por sonar [FSC,2007]
alcance entre los vehículos subacuáticos autónomos que han sido desarrollados. A diferencia de los flotadores usados en la oceanografía, que son arrastrados a donde los lleven las corrientes oceánicas, los planeadores pueden ser manejados por pilotos usando ordenadores en tierra, a veces a miles de kilómetros de distancia. Los Seagliders usados en el Océano Pacífico fueron liberados en las aguas a mitad de camino entre California y Hawai en septiembre pasado. Estos viajaron por el Pacífico durante 191 días, cubriendo unos tres mil kilómetros. Durante ese tiempo, uno de ellos realizó 599 inmersiones, y el otro 559.
Los datos de temperatura, salinidad y oxígeno recopilados por los Seagliders, ayudarán a los científicos del Laboratorio de Acústica del Pacífico Norte a entender mejor la propagación acústica, midiendo cómo el sonido es afectado a medida que se mueve a través del océano. La acústica puede ser usada para probar efectos como el cambio de temperatura a largo plazo de los océanos, la variabilidad del clima, y el papel de las olas interiores en los lugares donde se mezclan los océanos [Solo Ciencia,2009]. Los planeadores podrían usarse para supervisar los cambios en los océanos ocasionados por tormentas, huracanes y otros eventos naturales como el Niño. Los sonares y otros
Figura 1.4:Los científicos recuperan un Seaglider tras su viaje. [Fotografía: University of Washington Applied Physics Laboratory]
dispositivos de rastreo colocados en los planeadores podrían un día hacer búsquedas de explosivos en puertos, e incluso detectar buzos en áreas no permitidas.
Un Seaglider puede sumergirse a una profundidad de un kilómetro y regresar a la superficie como se muestra en la figura 1.4, a intervalos de entre 3 y 9 horas. Permanece en la superficie 5 minutos para trasmitir los datos recolectados y recibir instrucciones a través de la red Iridium de telefonía vía satélite, antes de sumergirse de nuevo. Viaja a una velocidad de medio nudo, desplazándose mediante el control de su flotabilidad: un sistema hidráulico que mueve aceite al interior y el exterior de una especie de vejiga de goma que provoca que el planeador ascienda y descienda en el océano.
En un despliegue reciente en el Pacífico Norte, los ingenieros de la universidad de Washington, Jim Luby y Neil Bogue, pilotaron un Seaglider en un curso directo a Kauai, mientras el otro fue enviado a reunir datos a lo largo de 620 millas al oeste, antes de dirigirse al suroeste hasta Kauai.
Slocum Glider. Ha sido diseñado y construido por la compañía Webb Research, con gran expe- riencia en la fabricación de instrumentos oceanográficos. Su motor de calor extrae la energía que necesita de una capa de agua llamada "thermocline", donde la temperatura cambia muy rápidamente.
Es la frontera entre el agua caliente situada por encima y la fría situada por debajo. Aprovechando
etc.
El segundo robot se llama Seaglider mostrado en la figura1.5[FisicaNet,2002], ha sido pensado por el University of Washington Applied Physics Laboratory. Su avance en el agua se encuentra determinado por el control de su flotabilidad y la sustentación de sus alas. Así, se sumerge y asciende alternativamente. Sus movimientos están dirigidos por la información de posición enviada por los satélites GPS. Los datos y las órdenes se transmiten mediante enlaces telemétricos vía satélite, durante los momentos en que su antena se encuentra fuera de la superficie. Como su competidor, puede permanecer meses en el mar, recorriendo todo un océano y alcanzando profundidades de hasta 3.500 pies. Sus instrumentos recogerán información física, química y bio-óptica de alta resolución.
La Office of Naval Research prepara vehículos de este tipo porque tanto la US Navy como los Marine Corps precisan de herramientas que recojan datos sobre las diversas regiones oceánicas, en caso de que se tengan que instaurar contra medidas debido a la instalación de minas enemigas.
Aplicando exitosamente soluciones de alta tecnología a problemas relacionados con el fondo marino, Tecnologías Marinas Kokes se ha colocado a la vanguardia de la industria de los océanos [Kokes]. Específicamente, Tecnologías Marinas Kokes, LLC ha vinculado la funcionalidad de un ROV- (Vehículo Operado Remotamente, mostrado en la figura1.6)- con la autonomía del indepen- diente AUV- (Vehículo Autónomo Submarino)- para producir dos vehículos submarinos altamente funcionales para todo propósito. La serie Rs de submarinos tripulados Diesel/Eléctricos representa la próxima generación de instrumentos para la intervención submarina. Estos vehículos submarinos proveen una alternativa eficiente en costo para:
Figura 1.5:Submarinos Autónomos de investigación e inspección para uso alrededor del mundo.
[FisicaNet,2002]
• Investigación marina.
• Mapeo de precisión del fondo oceánico para proyectos de cable y tubería submarina.
• Investigación (Ambiental e Hidrográfica).
• Inspecciones de cable y tubería sumergida.
• Evaluaciones de Sonar Naval y Ejercicios Militares.
• Rescate Marino.
• Construcción marina.
• Inspección de estructuras sumergidas.
• Reparación de estructuras sumergidas.
• Fotografía submarina y video grabación.
El Grupo de Oceanografía Física del IMEDEA desarrolla robots autónomos para el estudio del litoral. Entre los diez proyectos de investigación que lleva a cabo, el grupo trabaja en un sistema de
Figura 1.6: Vehículo Operado Remotamente (ROV) [Kokes]
predicción oceánica con asimilación de datos en tiempo real que permita la toma fundamentada de decisiones en caso de vertido de productos al mar o para el seguimiento de objetos a la deriva.
El proyecto ESEOO se origino debido a la crisis provocada por el siniestro del petrolero Prestige puso de manifiesto la necesidad de contar con un servicio operativo de predicción de corrientes y de la evolución de los vertidos. Durante la crisis quedó probado que en España existen grupos con suficiente madurez científica para llevar a cabo esa tarea. Y uno de ellos es precisamente el GOI.
El proyecto ESEOO es un programa de tres años de duración que pretende promover la oceanografía operacional en el ámbito nacional y, más concretamente, los servicios capaces de proporcionar res- puestas a situaciones de emergencia en el mar, como por ejemplo vertidos o el seguimiento de objetos a la deriva. Como consecuencia del proyecto se desarrollarán una serie de servicios basados en el modelado numérico y en el análisis de los datos oceanográficos, tanto históricos como adquiri- dos en la actualidad. Estos modelos numéricos permitirán realizar predicciones sobre todo tipo de variables físicas, tanto meteorológicas como oceanográficas (viento, corrientes, temperatura, oleaje, nivel del mar). Al mismo tiempo, permitirán predicciones en cuanto a la trayectoria y el compor- tamiento de vertidos y objetos a la deriva. Todo ello, al fin y al cabo, mejorará la eficiencia en la
Figura 1.7:Vehículo Autónomo Submarino para estudio del litoral [Grupo Oceanografía]
toma de decisiones y en el momento de movilizar recursos. El GOI es uno de los 24 grupos de in- vestigación dependientes de otras tantas entidades y/o instituciones españolas que participan en este proyecto, entre ellas varios institutos dependientes del CSIC [Grupo Oceanografía]. Los modelos numéricos que desarrolla el proyecto ESEOO permitirán realizar predicciones sobre todo tipo de variables físicas, tanto meteorológicas como oceanográficas (figura1.8).
La contribución de los investigadores del GOI se centra en el subproyecto OPSDAS (Sistema de predicción oceánica con asimilación de datos en tiempo real). El objetivo principal del subproyecto es contribuir a la creación de un sistema de predicción operacional basado en el modelado numérico.
Este objetivo se divide en:
• a) Implementar un esquema de asimilación de datos en diversos modelos de circulación.
• b) Validar el sistema predictivo creado para la inclusión del esquema de asimilación, determi- nando su horizonte de predicción.
• c) Determinar las ventajas en términos de predecibilidad de la inicialización de modelos con
Figura 1.8: Proyecto ESEOO [Grupo Oceanografía]
datos reales frente a la técnica tradicional de inicialización a partir de la climatología, así como de la asimilación de datos por satélite.
• d) Elaborar los sistemas informáticos de apoyo para una fácil implementación de un modelo de predicción, del DIECAST, en cualquier punto de la costa mediterránea.
• e) Finalmente, la realización de un ejercicio práctico operacional.
1.3.1.2 VEHÍCULOSAUTÓNOMOSAÉREOS
Un vehículo aéreo es aquel equipo mecánico que se pueda mover sobre diferentes altitudes de la superficie terrestre y que pueda portar o transportar un objeto o sistema.
Los UAV (Unmanned Air Vehicle) es la expresión inglesa empleada para identificar aviones capaces de volar sin necesidad de piloto. Es decir, un sistema informático que combina GPS, GIS, servomecanismos y CPU se encarga de pilotar el avión sin que sea necesario disponer de un piloto en la cabina.
Siguiendo la clasificación de la Asociación europea de vehículos no tripulados (EURO UVS) un UAV puede clasificarse como "Un vehículo aéreo motorizado no tripulado, el cual puede ser:
• Desechable o reutilizable
• Remotamente controlado, autónomo, semi-autónomo o cualquier combinación de estas tres características.
• Capaz de sobrevolar un objetivo
• Capaz de transportas diferentes tipos de cargas, haciéndoles capaces de realizar tareas útiles en la atmósfera terrestre o mas allá, con una duración de vuelo acorde con a la tarea a realizar.
1.3.1.3 CLASIFICACIÓN
La sociedad europea de UAV’s ha realizado una serie de clasificaciones de dichos sistemas en función de diferentes aspectos. Atendiendo a una clasificación en función de su alcance se pueden clasificar como tácticos (<2000km), estratégicos (Hasta 500km) y vehículos para tareas especiales.
Micro-UAV’s.
La Figura 1.9 ilustra ejemplos de micro-UAV’s. En la parte derecha se puede observar un prototipo del instituto tecnológico de Georgia. En la izquierda el prototipo "Black Widow" que, a modo de ejemplo, presenta las siguientes características técnicas:
• Masa aproximada: 50 gr
• Vuelo asistido por piloto.
• Sensor de vídeo.
• Velocidad máxima ∼ 20 Millas/hora.
• Tiempo máximo de vuelo ∼ 20 minutos.
• Propulsor de alta eficiencia (> 70 porciento) de 2.6 pulgadas de diámetro y 110 miligramos de peso.
Figura 1.9: Micro UAV (EURO UVS, Georgia Tech) [del Cerro,2007]
Los desarrollos basados en Micro UAV suelen tener carácter experimental y aplicaciones típi- camente militares. Su mayor restricción suele ser la necesidad de abordar una misión militar bajo un coste reducido.
Los principales retos planteados en los que se está trabajando actualmente de este tipo de ve- hículos son:
• Aerodinámica y control.
• Propulsión y peso.
• Navegación autónoma, guiado y control.
• Sensores ultra ligeros y comunicaciones.
Habitualmente son tomados como modelos los insectos y aves. De hecho, la propulsión por aleteo es considerada una de las más estables para baja velocidad o vuelo estático con una eficiencia aceptable. No obstante se están desarrollando micro turbinas de gas y pequeños motores diesel en función de las premisas de potencia / peso, así como células de fuel de oxido solido.
Mini UAV’s
Al contrario de los micro-UAV’s, los sistemas que utilizan como vehículo mini-UAV’s empiezan
Figura 1.10: Vehículos de Alcance Cercano.
[del Cerro,2007]
a tener una clara utilización comercial, en general basados en helicópteros, aviones y últimamente quadri-motores.
Distancia Cercana.
Los vehículos de misión cercana, suelen tener una utilización militar o científica, su coste es más elevado que en el caso de los mini vehículos. Como plataforma a utilizar, los vehículos de distancia cercana pueden estar basados en la estructura de un helicóptero o un avión. La Figura1.10 muestra cuatro ejemplos de vehículos para misiones cercanas.
Corta y Media Distancia.
Habitualmente, para vehículos de medio y largo alcance, los helicópteros no suelen ser uti- lizados, siendo los cohetes o aviones las posibilidades más usadas. La Figura1.11muestra varios vehículos militares de corto, largo alcance y alta y baja altitud. Resulta difícil conocer datos de los vehículos al ser considerados estratégicos en defensa.
Existen dos variedades de UAV: algunas son controlados desde una ubicación remota, y otros
Figura 1.11: Vehículos de medio y largo alcance (EURO UVS).
[del Cerro,2007]
sobre la base de volar autónomamente con pre-programados planes de vuelo utilizando el más com- plejo y dinámico sistema de automatización. Actualmente, vehículos aéreos no tripulados realizan actividades de reconocimiento, así como misiones de ataque. También se aplican a un pequeño número de aplicaciones civiles, tales como extinción de incendios. Los UAV son a menudo preferi- dos para las misiones que son demasiado "aburridas, sucias, peligrosas".
Existe una amplia variedad de vehículos aéreos no tripulados esto depende de sus formas, tamaños, configuraciones y características.
UAV suelen caer en una de las seis categorías funcionales (a pesar de múltiples plataformas de fuselajes).
Objetivo y señuelo: proporcionar terrestres y aéreos y de artillería el objetivo de que simula un avión enemigo o de misiles.
Reconocimiento: proporcionar el campo de batalla de inteligencia.
Combate: proporcionar la capacidad de ataque de misiones de alto riesgo (véase el vehículo aéreo no tripulado combatir).
Logística: UAV diseñado específicamente para la operación de carga y logística.
Investigación y desarrollo: se usa para seguir desarrollando las tecnologías de vehículos aéreos no tripulados que se integrarán en campo desplegado aviones UAV.
Civil y Comercial UAV: UAV diseñado específicamente para aplicaciones civiles y comerciales.
También pueden ser categorizados en términos de gama / altitud.
1.3.1.4 GRADO DE AUTONOMÍA
Hoy en día los UAV suelen combinar control remoto y computarizado de automatización. Más sofisticadas versiones se pueden tener incorporadas en el control y / o sistemas de orientación, con la intervención de derechos humanos se adoptan reglas tales como la velocidad permitida y la ruta de vuelo de estabilización y prescriben simples funciones de navegación.
La mayoría de los principios de vehículos aéreos no tripulados no son autónomos en absoluto.
De hecho, el ámbito de la autonomía del vehículo de aire es un campo emergente recientemente, cuya economía es impulsada principalmente por los militares para desarrollar la tecnología lista para la batalla. En comparación con la fabricación de vehículos aéreos no tripulados de vuelo de hardware, el mercado de tecnología de la autonomía es bastante inmadura y subdesarrollada. Debido a esto, la autonomía ha sido y puede seguir siendo el cuello de botella para los futuros desarrollos de vehículos aéreos no tripulados, y el valor global y la tasa de expansión del futuro mercado de vehículos aéreos no tripulados podrían ser en gran medida impulsada por los avances que se hicieron en el ámbito de la autonomía.
Autonomía que la tecnología es importante para el desarrollo de vehículos aéreos no tripulados se inscribe en las siguientes categorías:
Fusión de sensores: La combinación de información procedente de diferentes sensores para su uso a bordo del vehículo Comunicaciones: Manejo de la comunicación y la coordinación entre múltiples agentes, en presencia de información incompleta e imperfecta
Trayectoria Reglamento: Las estrategias de control necesarias para limitar un vehículo dentro de una cierta tolerancia a la trayectoria
Asignación y programación de tareas: Determinar la distribución óptima de las tareas entre un grupo de agentes, con el tiempo y las limitaciones de los equipos
Tácticas de cooperación: La formulación de una secuencia óptima y la distribución espacial de las actividades entre los agentes con el fin de maximizar la probabilidad de éxito en cualquier misión de escenario
Autonomía se define como la capacidad de tomar decisiones sin intervención humana. A tal fin, el objetivo de la autonomía es enseñar a las máquinas "inteligentes" y actuar más como seres humanos.
Los UAV se emplean principalmente en misiones de reconocimiento y el principal país que los emplea es EEUU, el cual dispone de diferentes modelos de UAV de reconocimiento.
A medida que la potencia de estos sistemas informáticos va en aumento, las funciones que realizarán estos robots también aumentará. La lógica indica que la evolución de los UAV ira desde los aviones de reconocimiento, pasando por los aviones de bombardeo para llegar hasta el empleo de cazas autónomos y en ultima instancia helicópteros autónomos.
1.3.1.5 UAVFUNCIONES
Los UAV realizan una amplia variedad de funciones. La mayoría de estas funciones son de alguna forma de percepción remota, lo que es fundamental para el reconocimiento, papel que debe de cumplir la mayoría de vehículos aéreos no tripulados. Las funciones menos comunes de un UAV son la interacción y el transporte; algunas de las cuales se describen a continuación:
Teleobservación
Dentro de las funciones de un UAV incluyen espectro electromagnético sensores, sensores bioló- gicos, químicos y sensores. Un UAV con sensores electromagnéticos suele incluir espectro visual, infrarrojos, o infrarrojo cercano, cámaras, así como los sistemas de radar. Otros detectores de onda electromagnética, tales como microondas y sensor de espectro ultravioleta también pueden utilizarse, pero son poco frecuentes. Sensores biológicos son capaces de detectar aire con presencia de microorganismos y diversos factores biológicos. Sensores químicos usan la espectroscopía láser para analizar las concentraciones de cada elemento en el aire.
Transportes
Un UAV puede transportar mercancías utilizando distintos medios basados en la configuración de los UAV en sí. La mayoría de las cargas útiles se almacenan en el interior de una bahía de carga en alguna parte de la célula. En muchas configuraciones de helicópteros, cargas externas pueden ser atados a la parte inferior de la célula. Con ala fija vehículos aéreos no tripulados, la carga útil también puede atribuirse a la célula, pero la aerodinámica de la aeronave con la carga útil debe ser evaluada. Para tales situaciones, las cargas útiles son a menudo encerradas en vainas aerodinámicas para el transporte.
La investigación científica
Aviones no tripulados son singularmente son capaces de penetrar en zonas que pueden ser muy peligrosas para las embarcaciones a prueba. La Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA) comenzó a utilizar el Aerosonde aeronaves no tripuladas sistema en 2006, como un cazador de huracanes. AAI Corporation filial Aerosonde Pty Ltd. De Victoria (Australia), diseña y fabrica las 35 libras, que puede volar en un huracán y comunicar datos en tiempo casi real directamente
Existen diferentes proyectos de desarrollo entre las principales empresas de aeronáutica como BOEING para diseñar y fabricar aviones autónomos. [RoboticSpot,2007]
Entre otros avances en este ámbito Rusia ha presentado una maqueta de un bombardero sin pi- loto cuyos constructores afirman que superará a los aviones furtivos estadounidenses al ser más inde- tectables por los radares y más inalcanzables por las armas antiaéreas. La cadena de televisión NTV mostró imágenes de un modelo de tamaño natural del aparato, bautizado "Skat" (raya) (mostrado en la figura 1.9), dichas imágenes fueron grabadas en un salón aéreo en la región de Moscú. Se trata de la primera presentación pública de este proyecto a cargo del constructor aeronáutico MiG.
Su forma achatada recuerda al bombardero furtivo Northrop Grumman B-2 "Spirit", de la Fuerza Aérea de Estados Unidos. Incluye una pequeña cabina en forma de burbuja, pero no será pilotado, precisó NTV.
Según la cadena, los constructores del Skat estiman que su tecnología lo hará menos vulnerable que los aviones furtivos de Estados Unidos. El director de la oficina de concepción Mikoyan, de MiG, Vladimir Barkovski, explicó a la agencia Ria Novosti que el aparato será capaz de atacar objetivos en tierra y mar, incluso si está siendo atacado por artillería antiaérea [La Flecha,2007](ver figura1.12).
1.3.1.6 DRONES
Un drone no es un avión, ni un misil. Un drone se define como un vehículo aéreo no tripulado controlado a distancia, automático o semi-automático, generalmente recuperable al final de vuelo,
Figura 1.12:Avión Autónomo "Skat" (raya) [La Flecha,2007]
susceptible a llevar diferentes tipos de cargas, que le servirán para efectuar diversas tareas durante el vuelo y pueden variar en función de sus capacidades. El drone puede ser un instrumento de reconocimiento, de observación, de adquisición de objetivos, etc. [P. Castillo,2007]
Un sistema drone esta compuesta generalmente de dos partes, la estación en tierra y la parte aérea. La estación en tierra fija o móvil asegura la preparación de la misión, la explotación y la comunicación de los datos con la parte aérea y los organismos que controlan y coordinan el drone. Esta parte también esta compuesta de medios de despegue y recuperación, así como de medios de mantenimiento y de reacondicionamiento. La parte aérea está compuesta por una o varias plataformas aéreas compuestas de una carga útil adaptada a la misión (cámara, GPS, central inercial, etc.) y de un sistema de comunicación de información.
Los drones son vehículos aéreos de talla reducida menos caros y mas fáciles de construir que un avión. También son mas discretos y su perdida no es tan sensible o costosa como la de un vehículo convencional. El tamaño de los drones puede variar (desde centímetros hasta varios metros), al igual
de incendios, etc.
Las configuraciones de drones pueden variar, desde los que utilizan rotores (uno, dos, tres o múltiples rotores) hasta los que utilizan alas como pájaros. Dentro de las configuraciones que uti- lizan rotores se encuentran helicópteros a cuatro motores que son vehículos complejos y difíciles de controlar, poseyendo todas las propiedades aerodinámicas de los helicópteros clásicos. El interés de estudiar este tipo de helicópteros se deriva de su versatilidad, y de su maniobrabilidad, permitiendo la ejecución de un gran número de tareas.
Cabe mencionar, que en algunas ocasiones los vehículos aéreos en miniatura se utilizan para plataformas tecnológicas, útiles para la validación de determinados de conceptos aerodinámicos, leyes de control o ciertos equipos y/o programas informáticos. Estas plataformas son de gran uti- lidad ya que permiten observar y analizar los límites del vehículo con la finalidad de verificar su confiabilidad y desempeño de vuelo.
En la Universidad de Valencia, España se desarrolló un trabajo que presenta una estrategia de control no lineal para estabilización para un helicóptero de cuatro rotores. El algoritmo de control se basa en al análisis de Lyapunov y en la técnica de saturaciones anidadas. La estrategia de control propuesta ha sido implementada sobre un sistema en tiempo real para control de un mini-helicóptero de cuatro rotores. El trabajo está organizado de la siguiente manera: en la sección 1 se presentan las características del quadri-motor, en la sección 2 se describe el modelo dinámico y en la sección 3 se desarrolla la estrategia de control para controlar el vehículo. A continuación se desarrollarán las secciones anteriormente mencionadas.
Figura 1.13: Esquema de fuerzas quadri-motor y pares de cada motor [P. Castillo,2007]
1. Características del quadri-motor:
Un helicóptero de cuatro de motores, también conocido como quadri-motor o X4, es un mo- delo muy completo para experimentar sobre los fenómenos aerodinámicos que ocurren en vehículos aéreos que pueden realizar vuelo estacionario. El quadri-motor, a diferencia de un helicóptero clásico no posee plato cíclico y se controla variando únicamente la velocidad de cada unos de los motores. Algunas de sus principales características son que el motor delantero y el trasero rotan en sentido anti-horario mientras que los otros 2 motores rotan en el sentido de las manecillas del reloj como se muestra en la figura1.13, con ello los efectos giroscópicos y los momentos aerodinámicos tienden a cancelarse en el vuelo estacionario. La entrada del control principal o fuerza principal es la suma de cada fuerza producida por cada motor.
2. Modelo dinámico
En esta sección se presenta el modelo dinámico del quadri-motor. El modelo matemático se
el modelo matemático obtenido utilizando el enfoque de Euler-Lagrange.
El algoritmo propuesto, se basa en una idea de (Teel, 1992) para la estabilización de una ca- dena de integradores utilizando saturaciones anidadas. Esta idea, se utiliza aquí para controlar un sistema no lineal. En este trabajo, el algoritmo de control no lineal propuesto es evaluado tanto por simulaciones, como en experiencias reales. Cabe señalar que la estrategia de control no lineal es comparada con un algoritmo de control lineal (LQR), con el fin de observar el desempeño de las leyes de control, probando de esta manera, cual de ellas es mas robusta ante perturbaciones externas. A continuación se presentan las imágenes de los resultados obtenidos aplicando el controlador LQR y el control propuesto.
Las líneas punteadas en la figura1.14 representan la trayectoria deseada , las condiciones iniciales utilizadas fuerony(0)= 12 y φ(0) = 0.
Las ganancias LQR fueron manualmente ajustadas para mejorar el desempeño del vehículo, con este ajuste de ganancias se logra reducir las oscilaciones pero cualquier perturbación por pequeña que fuera desestabilizaba el sistema. Las condiciones iniciales utilizadas fueron y(0)= 6 y φ = 0 (ver figura1.14).
Se aplica la técnica de asignación de polos para estabilizar la altura del helicóptero y el ángulo de yaw. El control del ángulo de φ y el desplazamiento en la coordenada ”y” se realiza con una ley de control no lineal. Esta estrategia de control se ha planteado considerando el comportamiento del quadri-motor como el de un PVTOL (Castillo et al., 2005a; Hauser et al.,
Figura 1.14: Respuesta inestable del quadri-motor cuando se utiliza el controlador lineal LQR al sub-sistema (φ, y). a)
Figura 1.15: Respuesta del quadri-motor cuando se utiliza el algoritmo de control propuesto, sujeta a perturbaciones en los ejes x, y y z. Las líneas punteadas representan la trayectoria deseada. Las condiciones iniciales son(x, y, z) = (9, 12, 0) cm y (ψ, θ, φ) = (0o, 0o, 0o).
1.3.1.7 VEHÍCULOSAUTÓNOMOSTERRESTRES
Un vehículo terrestre es aquel equipo mecánico que se pueda mover sobre la superficie terrestre que pueda portar o transportar un objeto o sistema, nombrados también UGV.
La forma del vehículo depende de:
• Tarea o aplicación para la que se diseña
• Razones específicas por las que se selecciona: peligrosidad del medio ambiente, requerimien- tos de fiabilidad, espacio de trabajo, etc.
• Medio en que ejecutará la tarea: interiores, exteriores, fondo marino, etc.
• Modo de locomoción: Ruedas, esteras, patas.
• Determinación de la trayectoria del vehículo: Técnica de control y navegación, etc.
Para el desarrollo de vehículos autónomos terrestres se utilizan:
• Sensores inerciales, GPS diferencial y sensores de percepción del entorno (sonares, ultra- sonidos y visión).
• Técnicas de control de movimientos.
• Planificación de caminos y maniobras.
Inicialmente, la ayuda computacional a los vehículos estaba relegada a tareas auxiliares como la regulación de la temperatura, la apertura de las puertas, el control de combustible o el nivel de carga de las baterías. Con el paso de los años, diferentes ayudas a la conducción, como el sistema de ayuda a la frenada (ABS), el regulador de la tracción (ASR) o el control de la estabilidad (ESP) se han ido añadiendo a las citadas anteriormente [V. Milanés,2008].
En la actualidad, gracias a la fusión de electrónica y comunicaciones, todos los elementos del vehículo pueden estar interconectados y la ayuda computacional ha dado un salto cualitativo im- portante, aumentado su influencia en algunos modelos comerciales. Entre las nuevas ayudas se encuentran: mantener la velocidad de referencia, guardar la distancia de seguridad con otros ve- hículos, mejorar la visión nocturna mediante cámaras infrarrojas o suministrar rutas alternativas para llegar a un destino.
El instituto de Automática Industrial trabaja en el proyecto AUTOPÍA que tiene dos objetivos esenciales. El primero, implementar una conducción automática de vehículos comerciales sobre carreteras reales. Aunque este objetivo se puede considerar utópico en este momento, es un punto de partida importante para explorar el futuro. El segundo objetivo es el desarrollo de un sistema de guiado automático formado por componentes modulares que pueda incorporarse de manera sencilla en la industria del automóvil.
Las principales entradas sensoriales al sistema de guiado son una cámara de visión y un GPS de alta precisión. Mediante ellos, el sistema adquiere los datos para controlar los accionadores del vehículo, la dirección y los pedales de acelerador y freno. La instrumentación necesaria para el guiado incluye un PC que aloja el software de control; un receptor de GPS diferencial, una red inalámbrica LAN, dos servomotores, y una tarjeta de entrada/salida digital. Añadimos un sistema de visión en otro computador conectado al ordenador de control.
El sistema de guiado del vehículo se modela utilizando reglas y variables borrosas que corrigen las desviaciones de la trayectoria y velocidad del vehículo. Esto se consigue comparando las medi- das de posición del receptor GPS embarcado con la posición deseada del vehículo sobre un mapa cartográfico digital de alta precisión, en el que se fija el objetivo y la ruta hasta el mismo.
Figura 1.16: Proyecto AUTOPÍA. Detalle de la ubicación del sistema de medida inercial y de la antena de recepción de la señal GPS
[V. Milanés,2008]
La conducción de vehículos es un problema especial de control porque los modelos matemáti- cos son complejos y no son fácilmente linealizables. En el programa AUTOPÍA se utiliza lógica borrosa, que es un buen método para afrontar este tipo de sistemas ya que permite imitar el compor- tamiento humano en los algoritmos de control.
Un ejemplo de vehículo autónomo terrestre es el presentado en 2007 por el catedrático mexicano de inteligencia artificial y robótica, Raúl Rojas; el auto es una minivan que, al igual que un robot, es completamente manejado por una computadora, que trabaja las informaciones procedentes del sistema de navegación, de los sensores láser y de las video-cámaras con que está equipado. El doctor en informática, Raúl Rojas, quien es catedrático de inteligencia artificial en la Universidad Libre de Berlín desde 1997, dijo a Notimex que el vehículo puede transitar sin problemas en el tráfico, pero que el costo es aún muy alto para lanzarlo al mercado.
Sólo el equipamiento del auto costó 150 mil euros (unos 203 mil dólares), a lo que se sumaron los fondos para la investigación que destinó la universidad al proyecto.[El Universal,2007] El "Es- píritu de Berlín", como se denominó al proyecto y al auto mostrado en la figura 1.10, contiene una
Figura 1.17:Auto "Espíritu de Berlín"
[El Universal,2007]
serie de desarrollos tecnológicos que son útiles para la industria automotriz. El auto también se puede manejar en forma convencional y su conductor recibirá información sobre los semáforos en rojo y los letreros con informaciones de tráfico. Si lo desea, puede pasar todo el control del vehículo a la computadora con sólo oprimir un botón. La computadora puede guiar el auto, frenarlo, acelerar, así como prender o apagar sus diferentes componentes. Los sensores reconocen a los peatones, los autos, las bicicletas y cualquier otro vehículo activo en el tráfico de una ciudad. El auto cuenta con un scanner que lanza rayos láser, que a su vez son reflejados por los objetos alrededor de coche. El radio de acción del scanner es de 150 metros a la redonda del vehículo. El sistema de navegación GPS con que está equipada la minivan es mejor que el que usan los conductores para guiar su curso en ciudades y carreteras. Si se pierde la señal del satélite, inmediatamente entran en funciones toda una gama de opciones tecnológicas.
Figura 1.18:Vehículo autónomo aplicado a la minería subterránea [FCFM,1997]
Otro ejemplo de vehículos terrestres es el proyecto de un vehículo autónomo aplicado a la minería subterránea (véase figura1.18) mediante un sistema de guiado autónomo de los cargadores frontales (LHD) utilizados en el transporte intermedio del proceso de extracción del mineral por
"Block Caving" en una mina subterránea. Se abordan en este proyecto los aspectos perceptuales, las estrategias de coordinación sensomotora, las técnicas de navegación y el control de la producción, asociados a la operación del vehículo. [FCFM,1997]
otras. A pesar de las ventajas que atrae el uso de estos vehículos, incluyendo razones de seguridad y de productividad, su uso no es extenso debido a la complejidad del proceso de diseño. La robótica móvil comenzó en los años 70 como banco de pruebas para estudiar técnicas de Inteligencia Artifi- cial. En los años 80 se tiene el despliegue definitivo debido al abaratamiento y mejores prestaciones de los ordenadores.
La robótica móvil cubre muchos campos de aplicación, como son transporte de materiales, labores de limpieza, vigilancia y prospección, guiado de personas, y aplicaciones militares. Los robots autónomos son sistemas mecánicos que pueden interactuar con un ambiente, y tienen un comportamiento individual aunque éste sea socializado. Las dificultades en que se encuentran los vehículos autónomos son los entornos impredecibles y dinámicamente cambiantes, así como su limitada autonomía y sobre todo su posicionamiento en un determinado ambiente. Para evitar estos problemas se suelen utilizar robots guiados, por lo que se establece comunicación con un ordenador central que dirige sus movimientos e incluso coordina varios robots colaboradores. Este guiado puede ser por múltiples medios como rieles, laser, balizas, etc. [Vicente,2003]
El principal problema de los robots guiados es que se restringen a caminos preestablecidos 35
y siempre requieren algún tipo de adaptación en cada reestructuración del entorno. Sin embargo los robots móviles autónomos no se limitan a caminos preestablecidos, ya que disponen de una capacidad de percepción. Son capaces de percibir el entorno e incluso de realizar una representación de él. También se les puede dotar de la capacidad de planificar sus movimientos evitando obstáculos, así como de detectar marcas o lugares característicos para conseguir una meta. Los robot móviles deben tener características de maniobrabilidad, controlabilidad, capacidad de tracción, estabilidad, eficiencia y consideraciones de navegación como la odometría.
El mecanismo de posicionamiento se basa en el sistema de percepción de que disponga. Existen multitud de sistemas sensores como sonar, láser, infrarrojos, radares, etc., aunque no es el único fin de estos, ya que la percepción del robot le ha de servir también para interactuar con los elementos del ambiente. Todo robot móvil se debe plantear las dos preguntas básicas: ¿dónde estoy? ¿Cómo llego al objetivo? Sin duda para resolver estas cuestiones se debe recurrir a la planificación de movimientos por medio de los actuadores del sistema y a técnicas de planificación, manteniendo quizá una representación del ambiente por el que se mueve.
2.1 A
RQUITECTURA DE LOS ROBOTSUna arquitectura es a grandes rasgos, una vista del sistema que incluye los componentes prin- cipales del mismo, la conducta de esos componentes según se la percibe desde el resto del sistema y las formas en que los componentes interactúan y se coordinan para alcanzar la misión del sis- tema. La vista arquitectónica es una vista abstracta, aportando el más alto nivel de comprensión y la supresión o diferencia del detalle inherente a la mayor parte de las abstracciones.
2.1.1 ARQUITECTURA REACTIVA
La arquitectura reactiva se utiliza principalmente para realizar el seguimiento de la línea, pues esta actividad demanda una rapidez en la reacción del robot ante el medio ambiente. El robot debe mantenerse en la línea la mayor parte del tiempo al estar en movimiento, si se realizara un proceso
Figura 2.1:Arquitectura de las tres capas
deliberativo existiría una gran posibilidad de perderla. Por otro lado, este arquitectura permitirá al robot detenerse cuando haya un cruce durante el recorrido, y de esta manera evitar que el robot deje de recorrer un camino.
2.1.2 ARQUITECTURA DELIBERADA
La arquitectura deliberativa se utilizará para controlar la navegación, exploración y el sentido que tomará el robot en las intersecciones, además será muy útil en la creación de un mapa que represente el ambiente y posteriormente para encontrar la ruta más óptima por la cual se pueda llegar a la meta.
2.1.3 ARQUITECTURA HÍBRIDA DE3CAPAS
Esta arquitectura cuenta con 3 capas, tienen un orden jerárquico de acuerdo a la función que realizan, son llamadas capa de sensado y control, capa unificadora y capa de inteligencia, cada una de ellas cuenta con un conjunto de clases.
La arquitectura en capas es una forma mediante la cual cada capa se encarga de lo que le co- rresponde sin importar lo que pase en las capas inferiores o superiores, es decir, recibe datos de una capa, los procesa, y proporciona unos datos de salida a otra capa.
2.2 A
SPECTO MECÁNICOLa estructura mecánica dará forma al vehículo, su diseño será importante en la medida que muchas cualidades del él dependerán de cómo se realice ésta. Interesa que sea resistente, fácilmente desmontable o por lo menos facilidad de acceso a elementos como baterías, tarjetas de control, motores, sensores, etc.
La elección de motores en aplicaciones de robótica siempre hay que realizarla cuidadosamente, hay que tener en cuenta bastantes factores, por ejemplo velocidad, par, inercia, frenos, modo de control, etc. Interesa tener bien definida la aplicación para calcular correctamente lo anterior.
Además puede ser que el vehículo se amplíe con otras piezas, incluso que necesite ser lo sufi- cientemente potente como para poder mover objetos, por eso se deben de buscar buenos pares de salida en los motores. En la elección también se toma cuenta la forma del mismo para poder unirlo fácilmente a la estructura mecánica, un bajo consumo de energía, calidad y buena precisión. Todo lo anterior se encuentra en aplicaciones de aeromodelismo, en concreto en los servomecanismos.
La utilización de transmisiones permiten el movimiento del vehículo y tienen diferentes facul- tades dependiendo de los elementos empleados, como pueden ser engranes, poleas y catarinas. Una transmisión por engranajes tiene la misión de proporcionar más par (fuerza) de salida en el eje del motor y reducir la velocidad del mismo. En cualquier tipo de transmisión ya sea por poleas, en- granes o poleas dentadas es importante evitar rozamientos innecesarios ya que dichos rozamientos provocan ruido y pérdidas de energía mecánica.
Cabe destacar que la dirección de avance del robot queda definida por la velocidad de cada una de las dos ruedas, por ello se debe de considerar el material de las ruedas motrices ya que son un factor importante, pueden contar con diferentes formas de incisiones que dotarán a la rueda de una
alguna acción. Para obtener esta información los robots móviles están provistos de una gran cantidad de sensores los cuales se encargan de detectar magnitudes físicas, estos pueden ser de proximidad, posición, inclinación y posiblemente de cámaras de video, por tal razón en la construcción del soft- ware se debe tener en cuenta la optimización del tiempo en cada tarea. Además la interfaz hombre máquina debe estar diseñada de tal manera que la información sea presentada adecuadamente y se facilite la ubicación espacial como el acceso del usuario a la información esencial para así evitar cuellos de botella [Cerón,2008].
El vehículo autónomo se encuentra en un entorno remoto y se controla a distancia desde una estación de tele operación. La persona que lo controla obtiene información del ambiente en el que se encuentra el vehículo autónomo, esta información es obtenida mediante sensores, permitiendo al usuario interactuar con el medio ambiente a distancia dando la sensación de estar físicamente en otro lugar (tele presencia).
A continuación se ejemplifica una interfaz con el robot móvil teleoperador I (RMTO I) [Cerón, 2008]. Este robot es controlado a distancia desde una estación de tele operación mediante un enlace de radio frecuencia, la imagen proveniente de una cámara ubicada en el robot es transmitida de manera inalámbrica a la estación de tele operación. En la estación de tele operación se encuentra un software desarrollado en lenguaje C++ que permite observar la visión del robot y enviar comandos al robot. La interfaz gráfica del software desarrollada para el manejo del robot está compuesta de dos ventanas, una para el despliegue del video proveniente de la cámara del robot y la otra para seleccionar los comandos de control. Una característica importante de este software es permitir el
