DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UN ALGORITMO PARA PLATAFORMAS MÓVILES CON DESPLAZAMIENTO EN FORMA DE CONVOY

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1 DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UN ALGORITMO PARA PLATAFORMAS MÓVILES CON DESPLAZAMIENTO EN FORMA DE CONVOY PROPONENTES CHRISTIAN ANDERSON MANCIPE BERNAL JOAN EMMANUEL ORTIZ VELASQUEZ DIRECTOR ING. GIOVANNI BERMUDEZ Con la realización de este articulo se pretende diseñar y simular un algoritmo que pueda ser implementado en tres plataformas móviles; este proyecto permitirá simular el desplazamiento de un convoy, en el cual se expone el comportamiento que tiene un robot líder y de dos esclavos que emularan su comportamiento en un entorno libre; se desarrollaran las estrategias de control que sean necesarias a partir de planteamientos matemáticos para determinar un sistema que permita optimizar el desplazamiento de plataformas móviles y el mejoramiento en aspectos como la distancia recorrida, el seguimiento, la conservación de distancia y la toma de decisiones que permitan obtener un sistema controlado en un entorno que las plataformas desconozcan. La implementación de este algoritmo en las plataformas adecuadas para la movilización en forma de convoy permitirá simular el comportamiento que pueden tener en la vida real. A continuación se relacionan algunos artículos que fueron seleccionados para el desarrollo de este artículo de investigación: «Motion control of cooperative robotic teams through visual observation and fuzzy logic control» En este artículo se explica el desarrollo de un sistema de multi robots en donde dos robots iguales asumen comportamientos de un convoy coordinado. En este caso se utilizó un filtro de control especializado para esta aplicación en particular, el cual se denomina MINACE (Mínimo ruido y correlacion de energía), esta tecnología se implemento de manera satisfactoria para hacer el control de las plataformas robóticas a través de métodos de control robusto y especializado. Así mismo se hace necesario el uso de lógica difusa para determinar un controlador que permita conocer la distancia y el ajuste de velocidad que se

2 genera desde el robot líder para que pueda ser interpretado por la plataforma esclava. El desempeño y la robustez de este sistema de convoy fueron comprobados a través de diversas prácticas de laboratorio que permitieron establecer la eficiencia del sistema. De este articulo pueden desprenderse varios temas que pueden servir para el desarrollo del articulo de investigación, a través de los resultados obtenidos pueden implementarse en el sistema que se quiere desarrollar a través de técnicas de control básico y robusto.[1] «The effect of action recognition and robot awareness in cooperative robotic teams» En este documento se exploran diversos métodos de coordinación de diferentes equipos de robots, la cooperación se hace a través de sensores y de métodos de comunicación simples,. Cada robot envía señales a los demás para permitir el reconocimiento de acciones. Para cumplir con este objetivo se asignan misiones a cada grupo de trabajo, las cuales se basan en el trabajo en equipo y en acciones de reconocimiento y seguimiento. Así mismo a partir de los resultados obtenidos se analiza el impacto que tiene estas acciones en el reconocimiento y métodos eficaces de robótica cooperativa. Este es muy importante para aplicar diversos conceptos en todo lo relacionado a robótica cooperativa, métodos de interacción, planeación de rutas y conservación de distancias, las cuales se abordaran con mayor detalle en el artículo de investigación a desarrollar.[2] «Cooperative mobile robotics: antecedents and directions» En este documento se expone un sistema compuesto por varias plataformas móviles autónomas con un comportamiento colectivo. Se construye un grupo de robots con cierta arquitectura predefinida, la cual permite resolver problemas, mantener la cooperación y mantener una posición geométrica. También se analizan las falencias que se tiene en el área de la robótica cooperativa, así como soluciones que se pueden proponer en este campo. Así mismo se hace una reseña histórica de todos los avances que se han presentado en el campo de la robótica cooperativa y como se ha ido evolucionando en el tema, así mismo se hace un enfoque hacia aplicaciones del área industrial en que pueden verse estos conceptos.[3] «Multirobot convoying using neurofuzzy control» En este artículo se explica la implementación de un convoy multirobotico utilizando lógica difusa y redes neuronales, se asignan 8 reglas, las cuales permiten a los robots conservar una distancia y seguir la trayectoria de una plataforma a la otra variando la velocidad y la dirección del recorrido. Cuando el líder se detiene, el siguiente robot se detiene muy cerca y conservando

3 una distancia segura que varía en el orden de pulgadas. La respuesta de la plataforma esclava debe ser muy rápida para permitirle emular el comportamiento del robot líder, así mismo se analizan todas las variables relacionadas que deben tenerse en cuenta al momento de implementar mas plataformas robóticas y como debe ser su respuesta ante eventos que pueden presentarse durante su desplazamiento.[4] «Supervised control of cooperative multi-agent robotic vehicles» En este documento se explican métodos de modelamiento para el control de un grupo de plataformas robóticas. Se realizan tareas de planeación de movimientos con cierto grado de complejidad, así mismo se hace una descomposición de tareas, asignación de funciones, localización y monitoreo constante de los vehículos. «Integration of mechatronic design tools with CAMeL, exemplified by vehicle convoy control design», Se explican los problemas que se han venido presentado al momento de implementar sistemas mecatronicos y que involucran robótica móvil, para esto se desarrolló un software que permite en parte solucionar estos inconvenientes integrando diferentes herramientas y métodos. La aplicación que se utiliza es la de un convoy para hacer experimentos típicos como los es el modelamiento de sistemas, la respuesta, las fases de integración del error, todos enfocados a sistemas de tipo mecatronico que permitan desarrollar una propuesta fuerte en el tema de robótica multipropósito, cooperativa y de tipo autónomo, con este articulo pueden tomarse conceptos importantes para el objetivo principal, el cual es definir métodos de control practico que puedan implementarse en un grupo de robots.[5] El sistema de control por comportamiento requiere alto grado de planeación para ejecutar tareas cooperativas y que les permita a los robots adaptarse y aprender nuevas técnicas de comportamiento cooperativo. La arquitectura desarrollada permite lograr esto haciéndolos tele operables y casi autónomos, lo cual resulta muy importante para el desarrollo del estado del arte y por consiguiente del artículo que se va a desarrollar.[6] «DCTC: dynamic convoy tree-based collaboration for target tracking in sensor networks» El objetivo principal de este artículo de investigación es la implementación de una red sensorica para localizar y hacer seguimiento a un elemento móvil, en este caso una plataforma robótica que posee

4 ciertas características aplicables a un convoy, así mismo se implementa un sistema de colaboración entre tres plataformas robóticas, por medio de una secuencia que garantice el mínimo consumo de energía. dos leyes de control y se comparan entre sí para mostrarla respuesta del sistema ante diferentes entradas y perturbaciones. También se propone una estrategia de control alterna que mantenga la estabilidad del convoy [8] La técnica se basa en la predicción de movimiento, el cálculo de rutas y la toma de decisiones. Los resultados muestran un comportamiento secuencial entre cada plataforma, así mismo se establecen unos lineamientos muy importantes para tener en cuenta al momento de hablar sobre robótica cooperativa y planeación de rutas.[7] «Robots in the loop: supporting an incremental simulation-based design process» Se realiza una simulación basada en el proceso de diseño de un convoy robótico. El sistema realimentado para conservar una estabilidad del proceso y que permite medir el comportamiento real de una plataforma así como en la simulación. «Two-vehicle look-ahead convoy control systems» El sistema de control en cada integrante de un convoy robótico requiere información acerca del movimiento predictivo, la estabilidad y el cumplimiento de las contantes utilizadas. Así mismo deben implementarse estrategias de control que busquen la sincronización permanente entre diversas plataformas para que estas puedan cumplir una función de convoy robótico que les permita realizar un recorrido con el menor número de errores posibles para reducir aspectos de desorganización y perdida de posición por parte de los robots. Se utilizan dos vehículos con una estrategia de control basada en la dinámica de los vehículos. Se estudian Se describe cada paso utilizado en la simulación, así como los datos obtenidos en las diferentes mediciones. Los resultados obtenidos muestran los beneficios de utilizar esta simulación al momento de hacer implementaciones en sistemas robóticos que involucren el uso de uno o más robots, así mismo se hace uso de sistemas de coordenadas para simular la ubicación de las plataformas que tendrían en un entorno real y cual sería su comportamiento al momento de

5 establecer una ruta y seguir una seria de parámetros que les permite hacer acciones coordinadas.[9] «An adaptive tracking controller for backward driving of a two-vehicle convoy» En este artículo se muestra un controlador para el rastreo de un convoy formado por dos robots en el que el líder se conduce en reversa, Se tiene en cuenta aspectos como la velocidad angular y lineal y se define parámetros a partir de estos aspectos: se analiza como el maestro puede obtener datos reales de sus entorno y transmitirlo a la otra plataforma, así como iniciar su posición real y su orientación a través de sensores. A partir de estos parámetros se establece un toma de datos que permite que al momento de la implementación resulte más práctico para analizar que variables pueden manejarse en cada una de las plataformas móviles para asi comprobar el funcionamiento de cada uno ante la toma de datos en diversos momentos. También se analizan las velocidades de cada plataforma y un estimado de distancia recorrida. La simulación presentada muestra las ventajas del uso de este controlador.[10] «Advanced convoy control strategy for autonomously driven railway vehicles» En este documento se realiza una investigación para un sistema de carrileras con vehículos que cumplen ciertas características mecánicas y físicas para emular el comportamiento de un convoy que permitan mantener una formación. Se define el concepto de convoy y como a partir de lineamientos básicos pueden hacerse implementaciones de control y de posicionamiento. También se explica la contribución del principio de convoy en la conducción de ciertos vehículos en sistemas de transporte avanzado, de igual forma se analizan las principales problemáticas en el uso de convoy en la industria y como pueden hacerse mejoras continuas al proceso de movilización de elementos móviles en un entorno conocido.[11] «Stable Control of Vehicle Convoys for Safety and Comfort», Se han realizado una selección de parámetros que permitan asegurar la estabilidad de un sistema de convoy, mientras se satisfacen constantes que buscan conservar la seguridad de los pasajeros en un recorrido, así como su comodidad. Se investigan diversas leyes de control, entre las que se incluyen estrategias simples y múltiples de control bidireccional.

6 El uso de control robusto en este tipo de sistemas es muy importante ya que permite la interacción de diversos tipos de plataformas móviles, así como la búsqueda de soluciones al momento de hacer recorridos unilaterales que buscan cumplir una ruta trazada, se evidencia como estos sistemas han podido contribuir al desarrollo de sistemas óptimos que involucran el uso de dos o más robots móviles. Así mismo se analizan condiciones para evitar colisiones entre los vehículos y limitación de movimientos, mientras se mantiene la estabilidad del sistema. [12] «Adaptive Control of an Automatic Convoy of Vehicles» En este artículo se utilizan estrategias de control con interpretaciones geométricas que permitan controlar el movimiento de un convoy con vehículos autónomos que se comportan como un tren virtual. Se asume que el primer vehículo es el líder y que los demás miembros buscan conservar una distancia adecuada entre ellos mismos y el líder, cada integrante tiene un controlador con un límite de aceleración y velocidad reduciendo al máximo la saturación de los sistemas. El uso de sistemas de coordenadas cartesianas y conceptos básicos de geometría para establecer un sistemas de ubicación fiable ha permitido que la implementación de estos sistemas sea cada vez más eficaz y así mismo, confiable para obtener resultados que permiten robustecer la idea de implementar sistemas de robótica cooperativa con el usos de múltiples elementos móviles. Así mismo se utiliza un modelo matemático para reducir el error y no afectar la trayectoria de cada plataforma [13] «Towards command and control networking of cooperative autonomous robotics for military applications (CARMA)» Esta investigación se basa en la implementación de una red cooperativa de robots autónomos que actúan en forma de convoy para aplicaciones militares, los cuales permiten el trabajo en equipo, la búsqueda, actividades de carga y diversos propósitos utilizados en el área militar. Se hace una arquitectura básica que permite obtener un modelo de control robusto para acciones cooperativas que reducen la dependencia de un vehículo al otro, lo cual es muy importante ya que muestra como todos estos conceptos y teorías cobre sistemas robóticos y de convoy pueden tener aplicaciones más complejas en el campo de la industria y en el área militar.[14] «Safe longitudinal platoons of vehicles without communication» En este documento se analizan los principales problemas que se tienen al momento de utilizar sistemas de convoy, como lo son la estructura de comunicación, la mejora en el distanciamiento así como los sensores que permitan ubicar uno a uno de los integrantes del convoy. En el documento se propone la utilización de posicionamiento longitudinal que

7 prevenga las colisiones sin importar el número de vehículos que se agreguen a la caravana. Esto se toma debido a los altos índices de colisión que se presentan al implementar plataformas móviles en forma de convoy.[15] «Using lateral length measurements in GMTI convoy tracking» Este artículo explica el método utilizado para la implementación de un sistema de seguimiento de un convoy utilizando un radar especializado. Para estos se utilizaron estimadores que eran capaces de calcular la longitud y distancia la cual se estaba moviendo un convoy. «Real-time platooning of mobile robots: design and implementation» En este documento se describe el diseño e implementación de una aplicación distribuida de robótica cooperativa en donde un grupo de robots autónomos se coordinan para moverse en línea o en forma de convoy. El objetivo es realizar un algoritmo de predicción de comportamiento de cada uno de los robots ante diversas situaciones que se plantean. Este movimiento es una técnica de coordinación que se usa para equipos de robots móviles los cuales tiene que avanzar uno muy cerca del otro. Los resultados se muestran para demostrar el desempeño de los vehículos en la trayectoria.[17] «Using lead vehicle response to generate preview functions for active suspension of convoy vehicles» Esta información se recopila a través de un servidor mediante algoritmos de posicionamiento, así mismo se realizó la simulación en un escenario virtual que representaba la trayectoria del convoy.[16] Los sistemas de convoy traen beneficios como reducción de la fatiga y averías en los vehículos, asistencia eficaz y sistemas inteligentes de conducción. En este proyecto se desarrolló un sistema de control que le permita a la líder del convoy trasmitir sus movimientos determinado el ángulo de giro de las ruedas para que los demás robots emulen este movimiento, para esto se implementó un filtro de kalman que permite obtener la información y pasarla a controlador para que esta pueda ser leída por los miembros del convoy.

8 algoritmo base. Este modelo se simulo con un sistema multi procesador que permitió hacer pruebas más avanzadas en cuanto a la disposición de los vehículos y su trayectoria en un circuito determinado.[19] «Evaluation of control in a convoy scenario» Para esta simulación se desarrolló una interfaz en MATLAB que permitió evidenciar el comportamiento de una caravana de este tipo en la vida real, se muestran los resultados obtenidos y a partir de estos e sacan las conclusiones mas relevantes que permiten determinar el alcance de este proyecto y como pude implementarse de manera optima en sistemas coordinados de movimientos con robots.[18] «Follow-the-leader formation marching through a scalable O(log2n) Parallel Architecture.» Un tema muy importante en el campo de los sistemas muti robóticos es la coordinación de movimientos y la sincronización para conservar una formación, en este artículo se presenta el trabajo realizado en una plataforma computacional para este tipo de sistemas, en el cual e agrupan un alto número de robots que deben hacer una formación y seguir un recorrido. Un multiprocesador con una arquitectura paralela se utiliza con el propósito de evaluar escalonamiento y adición de miembros a la formación a partir de un Una de las mejores maneras de incrementar la capacidad de movilización en un circuito es la implementación de vehículos que viajen en forma de convoy con una distancia corta de sus vehículos precedentes. Se realiza un estudio para presentar un sistema de control que pueda optimizar el sistema de un convoy y el manejo de distancias, sobre todo para instantes de arranque y parada. Esto debe hacerse con criterios de estabilidad y métodos de control robusto para prevenir perturbaciones en cualquier parte del convoy. Se desarrolló una máquina de estado la cual actúa como un controlador supervisor que guía el recorrido de la plataforma, así mismo se utiliza un controlador linear cuadrático (LQR) que se base en la realimentación secuencial de estado, el uso de este tipo de controladores es bastante utilizados ya que sus resultados son mas aproximados a la realidad que los controladores básicos, lo cual permite establecer rutas, errores de distancia, sistemas de realimentación, tiempos de respuesta y corrección del error en lapsos mas cortos que ayudan a que los desplazamientos de las plataformas busquen los objetivos trazados inicialmente..[20]

9 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS [1] S. B. Marapane, M. M. Trivedi, N. Lassiter, y M. B. Holder, «Motion control of cooperative robotic teams through visual observation and fuzzy logic control», en, 1996 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Proceedings, 1996, vol. 2, pp vol.2. [2] L. E. Parker, «The effect of action recognition and robot awareness in cooperative robotic teams», en 1995 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems 95. «Human Robot Interaction and Cooperative Robots», Proceedings, 1995, vol. 1, pp vol.1. [3] Y. U. Cao, A. S. Fukunaga, A. B. Kahng, y F. Meng, «Cooperative mobile robotics: antecedents and directions», en 1995 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems 95. «Human Robot Interaction and Cooperative Robots», Proceedings, 1995, vol. 1, pp vol.1. [4] K. C. Ng y M. M. Trivedi, «Multirobot convoying using neurofuzzy control», en, Proceedings of the 13th International Conference on Pattern Recognition, 1996, 1996, vol. 4, pp vol.4. [5] J. Richert, «Integration of mechatronic design tools with CAMeL, exemplified by vehicle convoy control design», en, Proceedings of the 1996 IEEE International Symposium on Computer-Aided Control System Design, 1996, 1996, pp [6] A. Shirkhodaie, «Supervised control of cooperative multi-agent robotic vehicles», en Proceedings of the Thirty-Fourth Southeastern Symposium on System Theory, 2002, 2002, pp [7] W. Zhang y G. Cao, «DCTC: dynamic convoy tree-based collaboration for target tracking in sensor networks», IEEE Trans. Wirel. Commun., vol. 3, n. o 5, pp , sep [8] S. Sudin y P. A. Cook, «Two-vehicle look-ahead convoy control systems», en Vehicular Technology Conference, VTC 2004-Spring IEEE 59th, 2004, vol. 5, pp Vol.5. [9] X. Hu, N. Ganapathy, y B. P. Zeigler, «Robots in the loop: supporting an incremental simulation-based design process», en 2005 IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics, 2005, vol. 3, pp Vol. 3. [10] P. Petrov y M. Parent, «An adaptive tracking controller for backward driving of a two-vehicle convoy», en IEEE Intelligent Transportation Systems Conference, ITSC 06, 2006, pp [11] C. Henke, N. Frohleke, y J. Bocker, «Advanced convoy control strategy for autonomously driven railway vehicles», en IEEE Intelligent Transportation Systems Conference, ITSC 06, 2006, pp [12] P. A. Cook, «Stable Control of Vehicle Convoys for Safety and Comfort», IEEE Trans. Autom. Control, vol. 52, n. o 3, pp , mar [13] J. K. Tar, J. von Neumann, K. Lorincz, B. Donat, y R. Kovacs, «Adaptive Control of an Automatic Convoy of Vehicles», en 11th International Conference on Intelligent Engineering Systems, INES 2007, 2007, pp [14] G. A. Jacoby y D. J. Chang, «Towards command and control

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