DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLATAFORMA PARA LA PRUEBA DE ALGORITMOS DE CONTROL DINÁMICO EN ROBOTS MÓVILES

Abstract

El control de un péndulo invertido constituye un problema clásico dentro del campo del control no lineal. Existen diferentes variantes del problema, entre las que destacan: péndulo de Furuta (Furuta, 2003), (Astrom and Furuta, 1996), péndulo sobre un carro móvil (Gordillo et al., 2004) y mas recientemente péndulo sobre un vehículo de dos ruedas con motores independientes (Baloh and Parent, 2003), (Grasser et al., 2002),(Salerno and Angeles, 2003), (Pathak et al., 2004), (Tirmant et al., 2002) y (Segway, 2004). A su vez, existe una amplia gama de controladores (lineales, no lineales, óptimos, robustos, predictivos, etc.) diseñados para estas aplicaciones. Este trabajo de grado se centra en el problema del péndulo invertido sobre un vehículo de dos ruedas con motores independientes, donde realmente el péndulo esta constituido por el peso propio del vehículo. El movimiento de avance esta provocado por la inclinación del vehículo con respecto a la posición de equilibrio. Para lograr resolver un problema de esta magnitud es necesario medir y controlar variables complejas como lo son la aceleración, velocidad angular y la posición, a esto se suman los retos mecánicos y electrónicos que propone la construcción de la plataforma. Una vez logrados estos objetivos es necesario aplicar las diferentes técnicas de control dinámico y evaluar de forma eficaz las capacidades de cada uno a la hora de mantener en equilibrio el robot y seguir la trayectoria deseada. Para solventar estos problemas el sistema se compone de una tarjeta principal de control diseñada a partir de un microcontrolador y dos sensores principales (acelerómetro y giróscopo) además de un modulo trasmisor inalámbrico y otra tarjeta encargada del control y la potencia de los dos motores, incluyendo también un batería recargable para la potencia del sistema, todo esto montado dentro de un chasis mecánico. El núcleo del sistema esta compuesto por un microcontrolador que es el encargado, a partir de la información proveniente de los distintos sensores, de calcular las acciones de control. Éste se comunica con un PC a través de un enlace inalámbrico por medio de una aplicación de software permitiendo el ajuste de los controladores en línea y la captura de datos relevantes del robot para su posterior estudio. Para lograr medir con exactitud el ángulo de inclinación se utilizó el famoso filtro de Kalman, una vez obtenido el ángulo, se procede a utilizarlo en los diferentes algoritmos de control dinámico que en conjunto entregan como salida una señal que se aplica al conjunto de motores y producen el estado de equilibrio. Es por esto, que el conjunto formado por el microcontrolador, los sensores, el desarrollo de los algoritmos de control, la facilidad de transmisión y recepción de datos y la aplicación del software logran desarrollar de manera eficaz el trabajo de grado presentado a continuación.