Desarrollo de sistema de locomoción y odometría en un robot móvil para navegación en espacios no uniformes

Abstract

Se presenta el desarrollo de un prototipo de robot de exploración para ambientes no uniformes, como parte del proyecto de investigación PROE, en una colaboración de la escuela de matemática y el área académica de ingeniería en mecatrónica, ambas del Tecnológico de Costa Rica. Dentro de las características físicas del mismo se cuenta con una masa de 504.2 g y unas dimensiones máximas de 241.8 mm x 169.0 mm x 151.82 mm. Se construyó con técnicas de manufactura como impresión 3D y corte láser, así como la utilización de piezas estándar. Se planteó la utilización de una suspensión rígida tipo rocker bogie implementado con una barra diferencial. El mismo posee una capacidad de superar obstáculos con ángulos de elevación de 40˚ con un 100% de éxito, además de desenvolverse adecuadamente en superficies pedregosas. El costo estimado del robot corresponde a $231. Se plantean los algoritmos de control del robot utilizando un controlador de tipo PI independiente en cada una de las ruedas, cuya variable de interés es la velocidad lineal de cada una de las ruedas. La odometría del mismo se descompuso en avances y giros, con un error relativo promedio en la velocidad menor al 1.58%. Se demuestra la robustez del control en presencia de rampas y obstáculos, donde el mismo realiza los ajustes para mantener dicha velocidad. Se implementan dichos algoritmos en un microcontrolador STM32F103C, con funciones de alto nivel como avanzar cierta distancia y girar ciertos ángulos. Se utilizó una fusión de sensores IMU, Magnetómetro y codificadores para determinar la orientación y la posición en las tres dimensiones. Se demuestra que la fusión de sensores entre el filtro de Madgwick y los codificadores permiten la determinación de la orientación alrededor del eje z con un error relativo del 0.58% en giros de 90˚, además de un error relativo del 0.45% para la posición en x,y y, con un error relativo del 2.5% en la estimación individual en cada rueda, además de un error relativo del 1.31% para la determinación de la altura.

In the present document, it´s presented the development of an exploration robot prototype in non-uniform ambients, as a part of the investigation project PROE, in collaboration between the mathematics school and the mechatronics engineering area of the Costa Rica Institute of Technology. The characteristics of the robot are a mass of 504.2 g, the dimensions are 241.8 mm x 169.0 mm x 151.82 mm. It is built with manufacturing techniques like 3D impression, laser-cut, and standard pieces. A rocker-bogie rigid suspension is used with a differential bar. The robot is capable of overcome obstacles with elevation angles of 40 with 100% success. Also, it can perform properly in stony surfaces. The estimated cost is $231. The robot Control algorithms are presented using an independent PI controller for each wheel. The odometry is decomposed in turns and moves forward movements, with a relative error in velocity of less than 1.5%. The robustness of the controller is demonstrated in ramps and obstacles, in which it was capable of correct and maintain the velocity. Those algorithms are implemented in an STMF103C microcontroller, with highlevel functions like move forward a distance and turn some degrees. Sensor Fusion was used between the IMU, magnetometer, and encoders for determination of orientation and position in the three dimensions. It is shown that sensor fusion between the Madgwick filter and the encoders allow the estimation of the orientation around the z-axis with a relative error of less than 1.5% in turns of a 90-degree angle. Also, it presented a relative error of estimation of less than 0.45% for the position in the x and y-axis and 2.5% for the estimation of each wheel. Finally, it was able to estimate the altitude with a 1.3% error.