Control híbrido de robots móviles

Abstract

En la actualidad, la mayoría de los variados sistemas robóticos utilizados en la industria son manipuladores estáticos que operan en espacios de trabajo seguros con énfasis en la velocidad y en la precisión. Estos manipuladores son aplicados a tareas automáticas como el empaquetado, la soldadura y la pintura. Muchos tipos de diferentes de sistemas son robots autónomos construidos sobre plataformas móviles, donde un nuevo grado de flexibilidad en el control es necesario. Como un caso opuesto al de los robots industriales, estos se mueven en un entorno propio, el cuál frecuentemente es altamente desestructurado e impredecible. Lentamente, están emergiendo demandas de diferentes mercados para estos tipos de sistemas robóticos. Aplicaciones de entretenimientos y diferentes tipos de sistemas de limpieza hogareños y de oficinas son los objetivos primarios de esta área de desarrollo. Todas las aplicaciones existentes y potenciales para sistemas autónomos tienen un problema en común: la navegación. Los robots deben moverse en su entorno en una manera que sea tanto flexible como robusta. Nuestro interés principal en este contexto es alcanzar estabilidad asintótica al nivel de planeamiento en la arquitectura de control. Debido a que los entornos del robot en aplicaciones reales son altamente impredecibles, el sistema debe colectar información sensorial a partir de la cual debe ser capaz de extraer representaciones de su entorno. Estas representaciones (o el conocimiento que el robot tiene de su entorno) son utilizadas luego por el sistema de control con la finalidad de completar sus tareas de navegación: el robot debe adquirir las referencias para sus controladores o identificar habitaciones, puertas, obstáculos, personas, etc. Esta tesis concentra sus contribuciones en los siguientes temas: el control de la plataforma robótica para su navegación en entornos desconocidos y la realización de tareas robóticas de manera estable. Se debe enfatizar que estos dos problemas no son de ninguna manera independientes. El diseño de un controlador es fuertemente dependiente del tipo de conocimiento disponible sobre el entorno del robot así como también (en muchos casos) de la estructura a gran escala de su ambiente. Cuanto más preciso sea este conocimiento más fácil será encontrar un algoritmo de control apropiado. Sin embargo, adquirir este conocimiento, lo cual implica extraer representaciones de los datos de los sensores del robot es un problema de por sí delicado, el cual se denomina problema de extracción. Generalmente, cuanto más complicadas sean estas representaciones mayor poder de cómputo será necesario para procesarlas. Por lo tanto, la complejidad del proceso de extracción está frecuentemente limitada a las necesidades de cada ambiente de navegación particular. Los problemas de controlar la plataforma robótica y de adquirir conocimiento de su entorno pueden ser simplificados tipificando el entorno, llevándolo de las aplicaciones reales a las aplicaciones específicas. Por ejemplo, el ambiente completo puede ser diseñado y acondicionado para tipos específicos de plataformas robóticas en espacios industriales. Alternativamente, puntos de referencia artificiales fácilmente identificables (también conocidos como mojones) pueden ser ubicados de tal manera que permitan la autolocalización del robot en su ambiente. Por estas razones, este trabajo se concentra en la viabilidad del sistema de control del robot y no en el problema de extracción de características del entorno. La idea es garantizar el movimiento estable del robot, y luego, adaptar el sistema de control obtenido de tal manera que sea mejorado en algún sentido por medio de la inclusión de información sobre el entorno del robot. Esta tesis trata sobre varios aspectos relacionados con la navegación de robots móviles en espacios interiores. Para sistemas en movimiento dentro de ambientes hogareños o de oficina aparecen dos problemas principales que deben ser resueltos: i)El diseño de un esquema de control apropiado para la navegación de la plataforma. En este aspecto, las aproximaciones híbridas se han vuelto las metodologías dominantes. Bajo este método de coordinación se puede asegurar una señal de control para todo momento, permitiéndole al robot reaccionar ante eventos inesperados. ii)La manera en que los eventos deben ser manejados. Para actuar en el mundo real es muy importante el modo en que los diferentes eventos son manejados. Se demuestra que las metodologías desarrolladas a lo largo de esta tesis pueden ser aplicadas para la navegación interactiva del robot con su entorno. A lo largo de esta tesis se presentan diferentes controladores de movimiento para robots móviles no holonómicos. Estos controladores generan leyes de control, las cuales son las velocidades angular y lineal del robot, y fueron diseñados utilizando métodos convencionales de Lyapunov de tal manera que se pueda probar la estabilidad asintótica del sistema de control. También son incluidos en este trabajo de tesis controladores tomados de la literatura actual en el tema de trabajo, y en estos casos, los autores aparecen debidamente citados. La mayoría de los controladores fueron pensados para resolver problemas específicos de navegación como son el alcanzado de un punto objetivo (problema de estacionamiento), el seguimiento de trayectorias, control de rotación del robot y de formaciones de más de un robot. Generalmente en estos controladores se encuentran limitaciones implícitas al diseño de sistemas continuos. Y se adopta como metodología de diseño del sistema de control la complementación del controlador original con nuevos controladores que resuelvan estas limitaciones. De esta manera se obtiene un sistema de control híbrido en el sentido de que aparece una combinación entre distintos controladores continuos y un sistema de eventos discretos al nivel de supervisión. Este tipo de sistema híbrido con énfasis en las propiedades continuas se denomina sistema conmutado. Los objetivos de control están relacionados con el manejo del ambiente del robot y con su comportamiento autónomo. Se entiende por autonomía de la plataforma robótica a su capacidad para operar sin intervención humana. De esta manera los algoritmos están destinados a resolver tareas directamente relacionadas con problemas propios de la autonomía como son la evasión de obstáculos con dos enfoques distintos, uno deliberativo (Cap.5) y otro reactivo (Cap.6): su detección, su identificación, el lado del robot que lo evitará y el momento en que fue superado. Los distintos controladores fueron basados sólo en las ecuaciones cinemáticas de un robot uniciclo, excepto en el primer trabajo (Cap.4), donde se incluyeron las ecuaciones dinámicas del robot móvil. La posición tomada acerca de la no inclusión de la dinámica del robot en el controlador permite diseñarlo independientemente del robot utilizado en las experiencias. Por otro lado, la influencia de dichas dinámicas no es determinante para velocidades de operación moderadas o bajas. Sin embargo, para los casos particulares en los cuales se encuentre un bajo rendimiento en los controladores, la dinámica puede ser agregada, teniendo en cuenta que esta inclusión afectará el análisis de estabilidad de los controladores en la mayoría de los casos. En lo que respecta a la navegación de los robots, no fue considerado en ninguno de los casos un mapa global del ambiente. Esta consideración le da mayor énfasis a la autonomía del robot como se trata en el desarrollo de la tesis. En consecuencia, cuando se trata el problema de la evasión de obstáculo, éstos deberán ser siempre detectados ya que siempre serán desconocidos (esto no quita que quizás alguna de las características del obstáculo deberán ser conocidas a priori para facilitar su identificación por ejemplo). Desde el punto de vista filosófico de la arquitectura de control, ésta será siempre del tipo híbrido deliberativa/reactiva. Básicamente, este tipo de arquitectura se ubica en un punto intermedio entre las estrategias puramente reactivas y las puramente deliberativas. En una forma muy resumida puede definirse a las estrategias puramente deliberativas como estrategias fuertemente basadas en el planeamiento, que requieren de un modelo completo del entorno del robot. Su desempeño es muy alto para ambientes altamente estructurados (del tipo de laboratorio) pero no se adaptan a cambios, de tal manera que pequeños cambios en el ambiente ocasionan problemas importantes en el control, ya sea en forma de retardos en la respuesta del robot, como la imposibilidad de resolver la tarea debido al nivel de complejidad alcanzado. En el otro extremo se encuentran los sistemas reactivos o basados en comportamientos, que directamente no poseen un bloque de planeamiento. Están generalmente inspirados en movimientos de insectos o animales primitivos, y de esa manera generan respuestas muy rápidas a determinados estímulos (sensores) y las acciones de control. Es directo pensar que un punto intermedio entre ambas estrategias podría tener los beneficios de ambas. En este punto se encuentran las estrategias híbridas deliberativas/reactivas (o híbridas deliberativas) que se consideran como modelo para el sistema de control en esta tesis. Particularmente, nuestro sistema de control estará compuesto por un banco de controladores y de un supervisor. Este supervisor genera una señal de conmutación, la cual indica el controlador (o los controladores) que se encuentra (encuentran) activos en cualquier momento. Este nivel de supervisión estará siempre presente en los diversos diagramas de bloques que se pueden encontrar en el desarrollo de la presente tesis. Las contribuciones más importantes de esta tesis se encuentran en este nivel de la jerarquía de control. La idea es encontrar no sólo una, sino varias opciones para la navegación del robot, permitiendo de esta manera enfrentar escenarios que se presentan más complejos para el sistema de control del robot. Con base en estas apreciaciones se incluye el modelado híbrido en el nivel de supervisión. La elección de esta estructura para el sistema de control presenta varios beneficios, como por ejemplo el hecho de poder dividir tareas complejas en varias sub-tareas más simples. Esto permite provocar una evolución del sistema de control desde bloques individuales básicos (que pueden analizados evidentemente con técnicas más simples) a estructuras más complicadas (con su análisis basado en los bloques anteriores). Este esquema de control puede ser visto como un sistema conmutado si se considera que sólo un controlador puede estar activo a cada instante. Los sistemas conmutados son sistemas híbridos (ya que contienen controladores continuos y sistemas de eventos discretos) que tienen mayor énfasis en la parte continua del sistema. La introducción de sistemas híbridos en el nivel de supervisión permite evaluar la estabilidad del sistema de control completo. Es importante acotar que este análisis no permitirá siempre evaluar el desempeño del sistema de control. Esto es porque es posible diseñar un cierto sistema de control que sea asintóticamente estable pero con un desempeño pobre. Por lo tanto, la importancia de este tipo de análisis depende de la relación entre los errores de control y el desempeño (práctico) en la resolución de la tarea que se esté tratando de resolver. Bajo el punto de vista del autor de la tesis, siempre se considerará el análisis de la estabilidad de los sistemas conmutados que se empleen. Objetivos de la tesis Esta tesis tratará el problema de la navegación de robots móviles considerando un sistema de control híbrido. La selección de la arquitectura del sistema de control se basa en su capacidad para modelar sistemas híbridos deliberativos/reactivos. Los objetivos de esta tesis son: i)Desarrollar estrategias de control novedosas que permitan a robots móviles realizar complejas tareas de navegación o que mejoren en alguna manera el desempeño de controladores robóticos conocidos. ii)En el diseño de estas estrategias, debe considerarse la estabilidad no sólo de los controladores continuos, sino también del sistema de control híbrido. iii)Diseñar todas las sub-tareas necesarias con la finalidad de alcanzar debidamente las premisas de navegación utilizando herramientas teóricas del control lineal y no lineal. En el desarrollo de estos subsistemas debe también ser considerada la estabilidad de los controladores individuales. iv)Las estrategias novedosas resultantes del trabajo de esta tesis deben ser puestas a prueba en un nivel experimental. Contenido y Contribuciones En esta tesis será considerado un sistema deliberativo híbrido en el nivel superior de la jerarquía de control. Basados en esta arquitectura serán propuestos diversos algoritmos para la navegación estable de robots móviles. El trabajo se divide en dos partes principales, la primera relacionada con conceptos preliminares y aspectos de contenido teóricos necesarios, mientras que la segunda contiene las contribuciones del trabajo de tesis: los algoritmos de control. De acuerdo con esto, en el capítulo 2 se presenta el estado del arte en el control de robots móviles, incluyendo conceptos tales como robots autónomos, sistemas de control reactivos y deliberativos, paradigmas del control de robots, robótica basada en comportamientos, sistemas híbridos deliberativos y el tipo de robot móvil que será empleado a lo largo de todo el trabajo: los robots del tipo uniciclo. Luego, en el capítulo 3 son considerados los sistemas híbridos. Más específicamente, se presentan los sistemas conmutados, mostrando sus propiedades más importantes, su clasificación, análisis y control. En una segunda etapa, desde el capítulo 4 al 8, los algoritmos de control híbridos se exponen en detalle. En el capítulo 4 se trata el caso de conmutación de controladores con el mismo objetivo de control. Más adelante, en el capítulo 5, se considera el uso de sistemas conmutados para modelar sistemas basados en comportamientos resolviendo una tarea de navegación con obstáculos. En este caso, la solución escogida consta de un planeador local que genera la trayectoria que evitará el obstáculo, mientras que en el capítulo 6 la solución al mismo problema será considerada puramente reactiva. En este capítulo se muestra además como la inclusión de un sistema conmutado permite alcanzar objetivos de control que son muy difíciles (o imposibles) de alcanzar con técnicas de control no lineal clásicas. La tarea que se considera es el seguimiento del contorno de un objeto. Este trabajo se complementa luego en el capítulo 7 con una aproximación híbrida al problema de posicionamiento de robots móviles. Se concluye este capítulo con un controlador para el evitado de obstáculos en ambientes complemente desconocidos. A partir del marco teórico generado en los capítulos 6 y 7 y con la inclusión de un controlador estable de formación de robots, se generaliza la tarea de moviendo de robots en ambiente desconocidos para una formación de robots, este trabajo se presenta en el capítulo 8. Las principales contribuciones de esta tesis pueden resumirse en: •Un sistema de control conmutado asintóticamente estable (AE) con controladores redundantes que permite mantener al robot navegando por el centro de un pasillo empleando al controlador que entregue la mejor acción de control en cada instante (capítulo 4). •Un sistema conmutado AE que permite al robot seguir una trayectoria recta que une dos puntos permitiendo la detección e identificación de un posible obstáculo por medio de una cámara de video montada en el robot. El evitado del obstáculo se realizada por medio del planeamiento de una nueva trayectoria (capítulo 5). •Un algoritmo de control continuo que permite le permite a un robot móvil con sensores de distancia el seguimiento de paredes a una distancia deseada basado en su odometría y en la información disponible del sensor láser. Este controlador AE sigue paredes que posean contornos rectos o que varíen suavemente. •La integración del controlador seguidor de paredes a un sistema conmutado AE con la finalidad de darle al robot la capacidad de seguir contornos discontinuos. Este problema fue denominado seguimiento de contornos. Se comprobó que este controlador puramente reactivo es un versátil evitador de obstáculos (capítulo 6). •Una aproximación híbrida al problema de estacionamiento en coordenadas cartesianas. •Un sistema conmutado AE que realiza el posicionamiento del robot en un entorno totalmente desconocido evitando obstáculos (capítulo 7). •Un sistema conmutado AE que resuelve el problema de control de formación para varios robots móviles no holonómicos actuando en forma cooperativa (capítulo 8). Recomendaciones para trabajos futuros Analizando los resultados de esta tesis, puede concluirse que la incorporación de las técnicas de control híbrido al control de plataformas robóticas es una manera válida de incrementar su autonomía. Algunos aspectos importantes que pueden ser citados para trabajos futuros en esta área son: •La identificación adecuada (o el diseño apropiado) de indicadores que muestren que las tareas previstas se realizaron de acuerdo a lo planeado. Este aspecto es importante debido a que no siempre la estabilidad de los sistemas híbridos es un indicador representativo del desempeño de la tarea, por ejemplo cuando se utilizan funciones comunes de Lyapunov, la responsabilidad de la ejecución de la tarea recae exclusivamente en la lógica del supervisor y no sólo en el hecho de que sea estable. •La inclusión del modelo dinámico del robot en los distintos controladores para mejorar su desempeño, permitiendo por ejemplo elevar las velocidades de los robots. •En cuanto está relacionado al control de formaciones de robots no están contempladas las colisiones entre los robots, o entre los robots seguidores y los obstáculos. En este mismo tema, sería importante lograr el control descentralizado, incorporando estimadores de velocidad en cada uno de los seguidores y logrando una comunicación mínima entre los seguidores y el líder. Es también de particular interés el problema del cambio en la geometría del a formación (o su deformación) de tal manera que se logren sobrepasar determinadas configuraciones del entorno en las cuales no se pueda avanzar con la formación en su geometría original. •Otro tema de interés potencia es extrapolar los resultados obtenidos en el estudio de robots móviles al estudio de manipuladores robóticos. En este sentido se puede aprovechar la naturaleza inherentemente híbrida del control de fuerza/impedancia. Conclusiones Esta tesis prueba que el uso de sistemas deliberativos híbridos como arquitectura de control es un modo válido y factible para alcanzar buenos desempeños cuando se tratan tareas de control complejas. Sus principales beneficios son: i)La posibilidad de dividir el objetivo de control en dos o más objetivos secundarios más simples. Luego, estas subtareas que resuelven problemas concretos pueden ser debidamente secuenciadas de acuerdo a una lógica dada. ii)Esta lógica se diseña de tal manera que el sistema completo sea estable. Y este resultado de estabilidad puede ser usado como una medida del desempeño del sistema. iii)Al considerar varios controladores individuales (con acciones de control continuas asociadas a cada uno de ellos) se facilita la implementación del algoritmo de control resultante. iv)Su estructura modular permite incrementar fácilmente la complejidad de una tarea agrupando tareas previas completas. Esta consideración indica un camino adecuado para incrementar la autonomía de plataformas robóticas en general, y un modo factible de extrapolar los resultados obtenidos entre distintas plataformas. v)Es posible realizar correcciones o mejoras en cualquiera de los sistemas que caracterizas a las subtareas sin afectar el objetivo principal de control, y viceversa, se pueden realizar cambios en la lógica de control general con la finalidad de mejorar el desempeño del objetivo de control sin modificar el nivel de subtareas. La inclusión de algoritmos de control conmutados como una manera válida de modelar sistemas híbridos deliberativos, permite resolver problemas que no pueden ser tratados por medio del control no lineal clásico, o permite mejorar soluciones obtenidas por medio de estos métodos de diseño. En este sentido, el campo de aplicación de un controlador dedicado dado puede ser extendido y/o su desempeño puede ser mejorado. Teniendo en cuenta que todo esto puede ser realizado dentro un riguroso marco teórico como el utilizado por las técnicas convencionales de control.