Sistema de control automático para vehículos terrestres con geometría variable

Abstract

El objetivo de este proyecto es el desarrollo y evaluación experimental de un sistema de control para vehículos terrestres no tripulados (UGV, del inglés Unmanned Ground Vehicle) de geometría variable que operen en ambientes exteriores. Estos vehículos generalmente acarrean un acoplado o implemento que hace variar su configuración geométrica con el tiempo, y pueden ser utilizados en agricultura de precisión, patrullaje, vigilancia, exploración en terrenos hostiles, entre otros. La mayoría de los sistemas de control automático controlan la trayectoria del vehículo, sin embargo, cuando se utilizan implementos, sería más preciso controlar su posición en lugar de la del UGV. Esto es de suma importancia sobre todo en curvas y giros en cabeceras, donde el implemento tiende a seguir un camino diferente al del vehículo, generando brechas y superposiciones.El sistema de control propuesto empleará algoritmos de control que utilicen la técnica de horizonte móvil (MPC, del inglés Model Predictive Control) para realizar la generación y seguimiento de trayectorias. Las pruebas experimentales se llevarán a cabo sobre el vehículo Clearpath Robotcis Husky, una plataforma de desarrollo robótico de tamaño mediano. Estos vehículos cuentan con cámaras estéreo, LIDAR, GPS de precisión, IMU. Posee una construcción robusta y motores de alto torque, además de ser totalmente compatibles con Robot Operating System (ROS).La originalidad del plan de trabajo propuesto radica en el uso de algoritmos de control basados en MPC para realizar el guiado autónomo, lo que permitirá mejorar el estado del arte de los pilotos automáticos existentes que utilicen tecnologías similares. Su implementación proveerá a la industria nacional capacidad de desarrollar tecnología de primer nivel, reducir los costos a la hora de automatizar maquinaria nueva o preexistente, beneficiando de esta manera a la economía del país y posibilitando la independencia de la importación tecnológica.Las principales contribuciones científicas del proyecto se centrarán en el análisis y evaluación de nuevos algoritmos de control utilizados para la navegación de UGV en diversas condiciones operacionales. Asimismo, desde el punto de vista tecnológico se hará énfasis en aquellos algoritmos que posibiliten el diseño y operación en tiempo real. Esto conducirá al desarrollo e implementación de sistemas de control que permitirán que los UGV sean operados de forma autónoma, estable y segura en distintos tipos de tareas.

The objective of this project is the development and experimental evaluation of a control system for variable geometry unmanned ground vehicles (UGV) operating in outdoor environments. These vehicles generally carry a trailer or implement that varies its geometric configuration over time, and can be used in precision agriculture, patrolling, surveillance, exploration in hostile terrain, among others. Most automatic control systems control the vehicle's trajectory, however, when implements are used, it would be more precise to control their position instead of that of the UGV. This is of utmost importance especially in curves and turns in headlands, where the implement tends to follow a different path than the vehicle, generating gaps and overlaps. The proposed control system will use control algorithms that use the moving horizon technique (MPC, from English Model Predictive Control) to generate and track trajectories. The experimental tests will be carried out on the Clearpath Robotcis Husky vehicle, a medium-sized robotic development platform. These vehicles are equipped with stereo cameras, LIDAR, precision GPS, IMU. They have a robust construction and high torque motors, in addition to being fully compatible with Robot Operating System (ROS). The originality of the proposed work plan lies in the use of MPC-based control algorithms to perform autonomous guidance, which will allow improving the state of the art of existing autopilots that use similar technologies. Its implementation will provide the national industry with the capacity to develop first-class technology, reduce costs when automating new or pre-existing machinery, thus benefiting the country's economy and enabling independence from technological imports. The main scientific contributions of the project will focus on the analysis and evaluation of new control algorithms used for UGV navigation in various operational conditions. Likewise, from a technological point of view, emphasis will be placed on those algorithms that enable real-time design and operation. This will lead to the development and implementation of control systems that will allow UGVs to be operated autonomously, stably and safely in different types of tasks.