Control de un robot con ruedas de giro limitado

En este proyecto se han desarrollado las herramientas necesarias para la implementación de nuevos algoritmos de marcha para robots de cuatro ruedas. Estos modos de marcha están basados en accionar mediante oscilaciones desfasadas las ruedas de ambos lados, de forma que éstas nunca den una vuelta completa. Con este objetivo, se ha desarrollado un modelo que ofrece soporte teórico a este paradigma de movimiento para después evaluar su respuesta frente a la proporcionada en pruebas realizadas tanto en simulación como en experimentación con un robot real. Para estas pruebas se utilizará un modelo en particular de robot, el Pioneer 3AT, con esquema de direccionamiento por derrape (skid steering en inglés). Como aplicación práctica se ha desarrollado un esquema de desplazamiento para la teleoperación de este mismo robot en entornos de espacio limitado. En el mundo de la robótica móvil, los medios de locomoción más utilizados son los basados en ruedas convencionales o en orugas, debido a su robustez y su simplicidad mecánica. En terrenos suficientemente estructurados suponen garantía suficiente de estabilidad y eficiencia. Sin embargo, existen limitaciones inherentes a este tipo de ruedas como son la imposibilidad de desplazarse en determinadas direcciones del plano, comúnmente según su eje. Ante este problema se han desarrollado las ruedas omnidireccionales que sí ofrecen esta posibilidad, pero esta ventaja no compensa en muchos casos la complejidad introducida, tanto de control como mecánica. Por ello, tanto como perfeccionar esta segunda tipología de ruedas para aumentar su utilidad, es necesario profundizar en las posibilidades que nos ofrecen las ruedas convencionales, de cara a habilitar nuevos algoritmos de marcha que permitan mitigar sus inconvenientes. Con este objetivo, en primer lugar se realiza un análisis de las geometrías de locomoción existentes, para después ofrecer una visión detallada de los modelos propuestos en diferentes artículos para la geometría con la que se va a trabajar, el skid steering En esta geometría las ruedas se disponen según ejes paralelos que no pueden modificar su orientación. De esta forma, el giro del vehículo se impone por diferencia de velocidades entre las ruedas izquierdas y derechas, estando accionada cada pareja por un sólo motor. Esta estructura de direccionamiento supone una complejidad adicional respecto a otras configuraciones basadas en ruedas convencionales, como puede ser la configuración Ackermann. Dicha complejidad nace de la circunstancia de que para poder hacer girar al vehículo las ruedas deben deslizar y derrapar de forma inevitable. En el resto de geometrías existe deslizamiento, por supuesto, pero no supone un pilar básico del movimiento del robot. Ésto complica en gran medida el modelado, pues es tremendamente complejo estudiar las interacciones de deslizamiento entre la rueda y el suelo. Como consecuencia, existen multitud de modelos cinemáticos y dinámicos propuestos para el skid steering, con diferente grado de complejidad y precisión. Todos los modelos cinemáticos tienen en común el uso de parámetros de obtención experimental para introducir en un esquema matemáticamente simple el efecto de este deslizamiento de las ruedas. Tras un análisis detallado se ha elegido un modelo cinemático entre los disponibles, denominado Modelo Simétrico en este proyecto, que permite relacionar las velocidades de las ruedas izquierdas y derechas del Pioneer con las velocidades lineal y angular del robot global. La definición completa del modelo se hace efectiva con la estimación posterior del parámetro experimental asociado. Este modelo permite dar una base teórica sobre la que desarrollar el modo de marcha que constituye el principal objetivo de este proyecto. Este modo de marcha está basado en un concepto ya introducido en un artículo que se toma como punto de partida. En él se propone un nuevo paradigma en el cual las ruedas dejan de ser un elemento que gira de forma continua para pasar a ser accionado según leyes de giro oscilatorias desfasadas. Es decir, el ángulo de giro de las ruedas sigue una evolución senoidal, con amplitud de 90 grados como máximo, existiendo un desfase entre las leyes senoidales que rigen las ruedas de uno y otro lado. En el artículo original este esquema de movimiento se aplicó sobre un robot de geometría diferencial, cuyas ruedas (únicamente dos y dispuestas sobre el mismo eje) no eran completas, teniendo la forma de un sector circular y por ello estando su giro limitado. Por ello, el algoritmo de marcha ofrecía al robot un mecanismo para desplazarse de forma efectiva pese a esta limitación mecánica. Según esta morfología de trayectoria, un robot con ruedas convencionales es capaz de desplazarse netamente de forma lateral, es decir, según la dirección de los ejes de dichas ruedas, precisamente mitigando una de las limitaciones mencionadas este tipo de robots móviles. Como se ha explicado, este algoritmo de marcha se desarrolló inicialmente como una herramienta que permitiera a un robot con ruedas limitadas desplazarse de forma efectiva. De aquí nace el nombre del presente proyecto, pero se ha ido un paso más allá enfocando el desarrollo no sólo a robots con ruedas limitadas, sino a otros con ruedas completas, con el objetivo en este caso de ofrecer nuevas posibilidades de movimiento basadas en el algoritmo detallado. De la aplicación del Modelo Simétrico de la cinemática del skid steering para el caso de este accionamiento particular de las ruedas, nace lo que se ha denominado el Modelo de Oscilaciones Desfasadas. Constituye un paso más en la vía iniciada por los autores del artículo mencionado anteriormente al aplicar su nuevo paradigma de movimiento a una geometría cinemática nueva. El Modelo de Oscilaciones Desfasadas plantea un concepto alternativo de modelo cinemático, pues en vez de relacionar velocidades de las ruedas con velocidades globales del robot, relaciona la morfología de la trayectoria desarrollada con los parámetros de las oscilaciones que la han generado. Una vez obtenido este modelo, se presentan dos vías para su aplicación. Por un lado, la simulación y por otro los experimentos con el robot real. Se han empleado ambas opciones, utilizando ROS como marco común de desarrollo de la estructura de control. ROS (Robotic Operating System) constituye un entorno de trabajo que proporciona las herramientas necesarias para la integración y desarrollo de aplicaciones de robótica. Para la simulación se ha utilizado la plataforma Gazebo, elegida por su integración inmediata en ROS. En cuanto a la estructura de control, de cara a las simulaciones se ha desarrollado partiendo desde cero, utilizando los archivos de descripción del Pioneer 3AT disponibles en la red. En el caso de la experimentación real se ha utilizado un paquete disponible en la red, denominado P2OS, que ofrece una integración de todas las funciones del robot en el marco de ROS. Este paquete se ha modificado para poder implementar una estructura de control con las velocidades de las ruedas como órdenes de mando. Para monitorizar la posición del robot en estos ensayos, mientras que Gazebo ofrece herramientas a tal efecto, en el caso de los experimentos reales es necesario un sistema externo. Para ello se ha utilizado el sistema OptiTrack instalado en el departamento. Éste consta de ocho cámaras situadas en una sala que emiten luz infrarroja y detectan el reflejo de dicha luz al rebotar en los marcadores localizadores. Mediante la combinación de los datos de todas las cámaras el software del sistema es capaz de determinar en tiempo real la posición de cualquier marcador situado su zona de trabajo. Si se disponen un mínimo de cuatro de estos marcadores sobre un vehículo, el sistema puede asociar a éstos un sólido rígido y monitorizar tanto su posición como su orientación. Del análisis y comparación de los resultados de las simulaciones y de los experimentos reales, el robot presenta ciertos comportamientos no recogidos en el modelo que suponen la aparición de determinadas diferencias entre el sistema real y el teórico. Dichas discrepancias parecen tener dos fuentes distintas: La primera de ellas viene heredada del Modelo Simétrico del que se partía inicialmente. En él, como en todos los demás, se considera un parámetro cinemático constante para modelar el deslizamiento de las ruedas. Sin embargo, a la vista de los resultados, este parámetro parece tener una variación no modelada, ya que dependiendo del experimento realizado, la predicción teórica puede reducir el error cometido variando este valor. Por otro lado, las trayectorias generadas tienen una asimetría que no se recoge en el marco teórico. Mediante un análisis detallado se ha revelado la existencia de una asimetría física en el robot. Las ruedas izquierdas parecen sufrir sobre su trayectoria senoidal teórica una serie de aceleraciones bruscas, incluidas de alguna forma por el movimiento de las ruedas opuestas, puesto que se producen en los momentos en los que éstas se detienen en su evolución senoidal limpia. Para el análisis de esta discrepancia, tras no obtener ninguna anomalía en los datos proporcionados por la odometría del vehículo, se tuvo que recurrir a un sistema externo. Se utilizó de nuevo el OptiTrack, situando cuatro marcadores adicionales en una de las ruedas izquierdas del vehículo, pudiendo obtener de esta forma su rotación respecto al sistema de referencia fijo. Con estos datos se ha podido obtener la evolución real de la rotación de las ruedas izquierdas del vehículo, y efectivamente se comprueba la existencia de la anomalía observada al aparecer perturbaciones superpuestas a la evolución teórica senoidal. Una modificación en el perfil de contacto de las ruedas aumentando y equilibrando la presión de los neumáticos redujo de forma considerable esta anomalía en su giro, y en consecuencia supuso cierta corrección en la asimetría de la trayectoria. Se concluye que, en conjunto, dicha asimetría es fruto de la realidad física del vehículo, según un conjunto de factores mecánicos entre los que se encuentra la presión de los neumáticos. Los dos aspectos no modelados de la realidad física del robot detallados suponen que el Modelo de Oscilaciones Desfasadas tenga una precisión moderada, pero pese a ello, es posible controlar al robot en su movimiento según este patrón de marcha de forma efectiva. Con tal capacidad se ha desarrollado una aplicación práctica orientada al control por teleoperación de un robot en su desplazamiento por recorridos de trazado complejo. Otras aplicaciones son también discutidas con menor nivel de detalle, como el aparcamiento de vehículos en lugares ajustados. Para la aplicación de teleoperación se ha diseñado un circuito en el cual una senda estrecha sufre múltiples giros. Se han realizado diferentes pruebas en las que el robot es conducido a través del recorrido utilizando tanto patrones de marcha basados en el algoritmo de movimiento estudiado como una secuencia de desplazamiento convencional para un robot de estas características. Según el algoritmo propuesto, el robot combina desplazamientos laterales con otros convencionales en línea recta, lo que le permite tener en todo momento una visión de la evolución de la pared del corredor por el que se está desplazando. Esto permite identificar al teleoperador de forma inmediata cuál es el momento en el que el robot puede sortear las esquinas avanzando tras un desplazamiento lateral, mientras que en el caso convencional no se tiene esta clase de información. En base a todo lo expuesto, se puede decir que el presente proyecto realiza una aportación reseñable al estudiar de forma teórica y aplicar de forma práctica a un caso potencialmente real un algoritmo de marcha ya introducido anteriormente, utilizando para ello un robot con una nueva geometría. Se prueban, además, las ventajas que ofrece este nuevo paradigma de desplazamiento comparándolo con los métodos convencionales. Como limitaciones del proyecto, se ha de mencionar la realidad física del robot y la inexactitud del modelo base elegido (el Modelo Simétrico). Estos dos factores suponen que, aunque sea posible desplazarse de forma efectiva según este modo de marcha, no pueda ofrecerse un modelo teórico que permita implementar un control en cadena abierta de este tipo de trayectorias en términos de su morfología. Sin embargo, incluyendo en el esquema de control una realimentación de la posición y orientación del robot se podría definir un sistema de navegación totalmente funcional. Tanto esta última vía, como el análisis de las dos limitaciones detalladas del modelo actual pueden perfectamente motivar líneas futuras de investigación, con el fin de hacer de este modo de marcha una realidad completa