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  • 8/7/2019 tesisUPV2519

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    Modelado Cinemtico y Control de

    Robots Mviles con Ruedas

    Tesis Doctoral

    Departamento de Ingeniera de Sistemas y Automtica

    Universidad Politcnica de Valencia

    Autor: Luis Ignacio Gracia Calandn

    Director: Dr. Josep Tornero i Montserrat

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    En primer lugar, agradezco al director de la tesis Dr. Josep Tornero su valiosa

    ayuda, estmulo permanente y acertado asesoramiento a lo largo del trabajo.

    En segundo lugar, vaya tambin mi agradecimiento a mis compaeros del

    Grupo de Investigacin y del Departamento de Ingeniera de Sistemas y

    Automtica que de un modo u otro han contribuido al desarrollo de la tesis.

    A mi familia

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    Resumen 1

    RESUMEN

    La presente tesis doctoral aborda el modelado cinemtico y control de robots

    mviles con ruedas. En concreto se profundiza en los siguientes temas:

    - Se plantea el modelado de una rueda genrica que incluye todos los tipos

    comunes: fija, orientable centrada, orientable descentrada (castor) y sueca

    (tambin denominada universal, Mecanum Ilon).

    - Se describe un procedimiento eficiente para generar modelos cinemticos,

    basado en el concepto de espacio nulo, el cual se aplica posteriormente a un

    gran nmero de tipos de robots mviles. Todos estos modelos son

    caracterizados en cuanto a su precisin o transmisin de errores (isotropa).

    - Se deduce un novedoso planteamiento geomtrico que establece la

    singularidad de cualquier modelo cinemtico de cualquier robot con ruedas.

    Este planteamiento se aplica a todos los tipos de robots anteriores.

    - Se desarrolla el modelado dinmico del robot para, a travs de tres sucesivas

    aproximaciones y de la caracterizacin de las fricciones en las ruedas, llegar a

    un modelado cinemtico con deslizamiento.

    - Se plantea un esquema de control del robot con tres bucles de control

    anidados (dinmico, cinemtico y de planificacin) que es conceptualmente

    similar a los empleados en robots manipuladores. En particular se profundiza

    en el bucle cinemtico de nivel medio e indirectamente en el de planificacin,

    al caracterizar las referencias que puede seguir cada tipo de robot sin error.

    - Se presentan experiencias de comprobacin de los algoritmos de modelado

    con deslizamiento y de control del robot, realizadas sobre una plataforma

    elctrica industrial (carretilla industrial).

    - Finalmente se desarrollan dos soluciones para las aplicaciones deaparcamiento en paralelo, con pre-planificacin y caracterizacin geomtrica,

    y de seguimiento de lnea por visin.

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    Abstract 3

    ABSTRACT

    This PhD thesis deals with the kinematic modeling and control of wheeled

    mobile robots. In particular it focuses on the following issues:

    - It is modeled a generic wheel that includes all the common types: fixed,

    centered orientable, off-centered orientable (castor) and swedish (also

    referred to as universal, Mecanum or Ilon).

    - It is developed an efficient procedure, based on the null space concept, to

    obtain kinematic models. This procedure is applied to many mobile robots

    and the accuracy of the obtained models is characterized through an isotropy

    analysis.

    - It is deduced a new geometric approach that establishes the singularity of any

    kinematic model of any wheeled mobile robot. This geometric approach is

    applied to all the mobile robots previously mentioned.

    - It is proposed a kinematic modeling with slip obtained from successive

    approximations of the robot dynamic model and the characterization of thefriction on the wheels.

    - It is suggested a kinematic control scheme with three nested loops (dynamic,

    kinematic and planning) that is similar to the approaches used for robotic

    manipulators. It is studied in depth the kinematic loop and indirectly the

    planning loop, through the characterization of the references that each mobile

    robot can track with no error.

    - An industrial forklift has been used to test the algorithms of kinematic

    modeling with slip and robot control.

    - Finally two solutions have been developed for the robotic applications ofparallel parking and line tracking with a vision system.

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    Resum 5

    RESUM

    La present tesi doctoral aborda el modelatge cinemtic i control de robots mbils

    amb rodes. En concret s'aprofundix en els temes segents:

    - Es planteja el modelatge d'una roda genrica que inclou tots els tipus comuns:fixa, orientable centrada, orientable descentrada (castor) i sueca (tamb

    nomenada universal, Mecanum o Ilon).

    - Es descriu un procediment eficient per a generar models cinemtics, basat en

    el concepte d'espai nul, el qual s'aplica posteriorment a un gran nombre de

    tipus de robots mbils. Tots estos models sn caracteritzats quant a la seua

    precisi o transmissi d'errors (isotropia).

    - Es dedux un nou plantejament geomtric que estableix la singularitat de

    qualsevol model cinemtic de qualsevol robot amb rodes. Esta regla s'aplica a

    tots els tipus de robots anteriors.

    - Es desenvolupa el modelatge dinmic del robot per a, a travs de tres

    successives aproximacions i de la caracteritzaci de les friccions en les rodes,

    arribar a un modelatge cinemtic amb lliscament.

    - Es planteja un esquema de control del robot amb tres bucles de control niats

    (dinmic, cinemtic i de planificaci) que es conceptualment similar als

    empleats per robots manipuladors. En particular saprofundeix en el bucle

    cinemtic i indirectament en el de planificaci, al caracteritzar les referncies

    que pot seguir cada tipus de robot sense error.

    - Es presenten experincies de comprovaci dels algoritmes de modelatge amb

    lliscament i de control del robot, realitzades sobre una plataforma elctrica

    industrial (carret industrial).

    - Finalment es desenvolupen dos solucions per a les aplicacions d'aparcamenten parallel, amb pre-planificaci i caracteritzaci geomtrica, i de seguiment

    de lnia per visi.

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    ndice general 7

    NDICE GENERAL

    1. Introduccin .. 31

    1.1 Introduccin ... 31

    1.2 Objetivos de la tesis . 32

    1.3 Estructura de la tesis .. 33

    2. Estado del arte ... 35

    3. Relaciones cinemticas en vehculos con ruedas 39

    3.1 Introduccin .... 39

    3.2 Supuestos considerados .. 42

    3.3 Relaciones cinemticas ... 44

    3.3.1 Sistemas de coordenadas . 443.3.2 Obtencin de la velocidad de deslizamiento de rueda . 46

    3.3.3 Particularizacin de la ecuacin de rueda ........ 49

    3.3.4 Matriz Jacobiana de rueda ... 50

    3.4 Ecuacin compuesta .. 52

    3.5 Ruedas especiales 54

    3.5.1 Rueda doble y rueda castor doble . 54

    3.5.2 Rueda tipo bola .. 58

    3.5.3 Rueda ortogonal 593.6 Resultados ms relevantes y conclusiones del captulo 61

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    8 ndice general

    3.A1 Coincidencia instantnea 62

    4. Modelado cinemtico de vehculos con ruedas sin deslizamiento ..... 65

    4.1 Introduccin .... 65

    4.2 Modelado y caracterizacin con espacio nulo ... 67

    4.3 Modelado y caracterizacin con rangos .. 69

    4.4 Modelado y caracterizacin con matrices Jacobianas de rueda .. 70

    4.4.1 Problema cinemtico directo .... 72

    4.4.2 Problema cinemtico inverso ... 73

    4.4.3 Solucin inversa accionada ... 75

    4.4.4 rbol de accionamiento .... 77

    4.4.5 Solucin directa sensorizada .... 79

    4.4.6 rbol de sensorizacin ..... 80

    4.4.7 Discusin del mtodo de matrices Jacobianas de rueda 82

    4.4.8 Demostraciones para el mtodo de matrices Jacobianasde rueda . 84

    4.5 Solucin cinemtica ampliada .... 95

    4.6 Modelado y caracterizacin del vehculo triciclo ... 96

    4.7 Resultados ms relevantes y conclusiones del captulo . 102

    5. Modelos cinemticos de vehculos y transmisin de errores . 103

    5.1 Introduccin ... 103

    5.2 Restricciones al movimiento .. 105

    5.3 Obtencin de las cinco clases de vehculos ... 107

    5.3.1 Demostracin de las implicaciones de (5.9) 110

    5.4 Transmisin de errores en los modelos cinemticos: Isotropa .... 113

    5.5 Caracterizacin de las cinco clases de vehculos . 117

    5.5.1 Tipo 1 (3,0): Vehculo omnidireccional . 117

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    ndice general 9

    5.5.2 Tipo 2 (2,0): Vehculo diferencial .. 122

    5.5.3 Tipo 3 (2,1): Vehculo con una rueda orientable 129

    5.5.4 Tipo 4 (1,1): Vehculo triciclo y bicicleta.. 135

    5.5.5 Tipo 5 (1,2): Vehculo con dos ruedas orientables .... 138

    5.6 Resultados ms relevantes y conclusiones del captulo 141

    6. Singularidad de los modelos cinemticos de vehculos .. 143

    6.1 Introduccin ... 143

    6.2 Reformulacin de ecuaciones 145

    6.3 Problemtica de la singularidad 147

    6.4 Caracterizacin de la singularidad 149

    6.5 Singularidad de los cinco tipos de vehculos 154

    6.5.1 Tipo 1: Vehculo omnidireccional . 154

    6.5.2 Tipo 2: Vehculo diferencial .. 156

    6.5.3 Tipo 3: Vehculo con una rueda orientable 156

    6.5.4 Tipo 4: Vehculo triciclo y bicicleta.. 156

    6.5.5 Tipo 5: Vehculo con dos ruedas orientables .... 160

    6.6 Extensin de la caracterizacin de la singularidad 161

    6.7 Resultados ms relevantes y conclusiones del captulo 162

    7. Modelado cinemtico de vehculos con ruedas con deslizamiento 163

    7.1 Introduccin ... 163

    7.2 Modelado dinmico de vehculos con ruedas ... 168

    7.3 Modelos de traccin (fuerzas de friccin en las ruedas) ... 173

    7.4 Modelos con deslizamiento ... 179

    7.4.1 Modelo del movimiento quasi-esttico ... 179

    7.4.2 Modelo cinemtico con deslizamiento ... 181

    7.4.3 Uso prctico del modelo cinemtico con deslizamiento 183

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    10 ndice general

    7.4.4 Solucin de Mnimos Cuadrados ponderadadel modelo cinemtico .. 185

    7.5 Simulacin y resultados experimentales . 187

    7.5.1 Carretilla industrial (triciclo) .. 187

    7.5.2 Estimacin del vector de velocidad del vehculocon el Filtro de Kalman .. 190

    7.5.3 Resultados de simulacin .... 192

    7.5.4 Resultados experimentales ... 198

    7.6 Resultados ms relevantes y conclusiones del captulo 206

    7.A1 Frmulas de Pacejka utilizadas en la simulacin ... 208

    8. Control cinemtico de vehculos con ruedas .. 213

    8.1 Introduccin ... 213

    8.2 Esquema global del control del vehculo ..... 217

    8.3 Control de posicin ... 219

    8.4 Modelo cinemtico inverso de rueda .. 221

    8.4.1 Rueda orientable sin ruedasfijas ... 221

    8.4.2 Ruedafija y particularizacin de rueda orientable .. 222

    8.4.3 Rueda castor .... 224

    8.4.4 Rueda sueca .... 2248.5 Tipos de referencias posibles para cada tipo de vehculo . 226

    8.5.1 Introduccin .... 226

    8.5.2 Vehculo tipo 1: Omnidireccional ... 229

    8.5.3 Vehculo tipo 2: Diferencial ..... 229

    8.5.4 Vehculo tipo 4: Triciclo y bicicleta ... 230

    8.5.5 Vehculo tipo 3 (una rueda orientable) y tipo 5 (dosruedas orientables)... 231

    8.5.6 Resumen de tipos de referencias posibles .... 2328.6 Aplicacin del control al caso del triciclo . 234

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    ndice general 11

    8.6.1 Particularizacin del control ........ 234

    8.6.2 Resultados de simulacin ......... 235

    8.6.3 Resultados con carretilla industrial ..... 239

    8.6 Resultados ms relevantes y conclusiones del captulo 243

    9. Aplicaciones para el control cinemtico de vehculos con ruedas 245

    9.1 Introduccin ... 245

    9.2 Seguimiento de lnea por vision ..... 247

    9.2.1 Posicionamiento por visin .... 247

    9.2.2 Control cinemtico para el seguimiento de lnea por visin . 262

    9.2.3 Resultados del seguimiento de lnea por visin 2639.3 Planificador de aparcamiento ..... 268

    9.3.1 Introduccin ........ 268

    9.3.2 Planificador de aparcamiento en lnea .... 269

    9.3.3 Resultados del planificador en simulacin . 278

    9.4 Resultados ms relevantes y conclusiones del captulo 283

    10. Conclusiones y trabajos futuros 285

    10.1 Conclusiones ..... 28510.2 Trabajos futuros ........ 287

    Bibliografa .... 289

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    ndice de tablas 13

    NDICE DE TABLAS Y ALGORITMOS

    Tabla 3.1- Asignacin de sistemas de coordenadas utilizada 45

    Tabla 3.2- Nomenclatura de variables y parmetros . 46

    Tabla 5.1- Relacin de vehculos no degenerados posibles ... 109

    Tabla 7.1- Nuevas variables y parmetros en (7.11) . 169

    Tabla 7.2- Nuevas variables y parmetros en (7.17) . 170

    Tabla 7.3- Comparativa de cmputo WLS-FK2 y modelo diferencial-FK1 .. 208

    Tabla 7.4- Variables y parmetros de la frmula mgica de Pacejka 205

    Tabla 8.1- Referencias posibles segn el tipo de vehculo y marcoconsiderados .. 233

    Tabla 9.1- Valores de parmetros para el ejemplo 1 de aparcamiento . 279

    Tabla 9.2- Valores de parmetros para el ejemplo 2 de aparcamiento . 280

    Algoritmo1- Deteccin de colisin frontal/trasera 275

    Algoritmo2- Clculo de dx1 de modo que se pase por (xP2, yP2)= (0,0) 276

    Algoritmo3- Clculo del punto de aproximacin .. 276

    Algoritmo4- Clculo del punto previo al de aproximacin ... 278

    Algoritmo5- Clculo de maniobras en la fase 3 278

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    ndice de figuras 15

    NDICE DE FIGURAS

    Figura 3.1- Rueda sueca con rodillos a 45 . 43

    Figura 3.2- Sistemas de coordenadas utilizados en el vehculo .. 45

    Figura 3.3- Sistemas y variables de la formulacin cinemtica recursiva .. 48

    Figura 3.4- Vista de planta con variables y parmetros definidos en (3.8) . 48

    Figura 3.5- Rueda doble y rueda castor doble . 54

    Figura 3.6- Equivalencia entre la rueda doble y la orientablecentrada ... 55

    Figura 3.7- Equivalencia entre la rueda castor doble y la castor. 56

    Figura 3.8- Rueda tipo bola con tres rodillos formando unRectngulo horizontal. 58

    Figura 3.9- Rueda ortogonal con ensamblaje longitudinal 60

    Figura 3.10- Rueda ortogonal con ensamblaje lateral . 60

    Figura 3.11- Ejemplo de bola en movimiento en un sistema unidimensional . 62

    Figura 4.1- rbol de solucin de la ecuacin genrica A x = B y . 71

    Figura 4.2- rbol para el vector de velocidad del vehculo .. 72

    Figura 4.3- rbol para el vector compuesto de velocidades de rueda .. 73

    Figura 4.4- rbol de caracterizacin del accionamiento del vehculo . 78

    Figura 4.5- rbol de caracterizacin de la sensoriazacin del vehculo .. 81

    Figura 4.6- Asignacin de sistemas de coordenadas en el vehculo triciclo . 96

    Figura 5.1- Vehculo omnidireccional isotrpico con tres ruedas suecas 116

    Figura 5.2- Vehculo omnidireccional quasi-isotrpico con tres ruedas castor119

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    16 ndice de figuras

    Figura 5.3- Vehculo diferencial con rueda sueca ... 120

    Figura 5.4- Condiciones de isotropa para el vehculo diferencial conuna rueda sueca . 122

    Figura 5.5- Vehculo diferencial con rueda castor . 123

    Figura 5.6- Condiciones de isotropa para el vehculo diferencial conuna rueda castor ... 125

    Figura 5.7- Vehculo con una rueda orientable y dos ruedas suecas . 127

    Figura 5.8- Configuraciones isotrpicas para el vehculo tipo 3 conruedas suecas .... 128

    Figura 5.9- Vehculo con una rueda orientable y dos ruedas castor... 129

    Figura 5.10- Configuraciones isotrpicas para el vehculo tipo 3 conruedas castor ...... 131

    Figura 5.11- Vehculo triciclo (una rueda orientable y dosfijas dependientes). 133

    Figura 5.12- Vehculo bicicleta con una rueda adicional sueca o castor.. 134

    Figura 5.13- Vehculo con dos ruedas orientables 136

    Figura 6.1- Lnea definida por el vector fila de tres elementos ( ) dx y= .150

    Figura 6.2- Singularidad del vehculo omnidireccional con ruedas suecas . 155

    Figura 6.3- Configuraciones singulares del vehculo omnidireccional conruedas castor ..... 155

    Figura 6.4- Singularidad del vehculo tipo 2 con ruedasueca/castoradicional .. 157

    Figura 6.5- Configuraciones singulares comunes para el vehculo tipo 3 .. 157

    Figura 6.6- Configuraciones singulares para el vehculo tipo 3 conruedas suecas . 158

    Figura 6.7- Configuraciones singulares para el vehculo tipo 3 conruedas castor. 158

    Figura 6.8- Configuraciones singulares para el vehculo triciclo .... 159

    Figura 6.9- Configuraciones singulares para el vehculo bicicleta con unarueda sueca/castoradicional. 159

    Figura 6.10- Configuraciones singulares para el vehculo tipo 5 con unarueda sueca/castoradicional. 160

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    ndice de figuras 17

    Figura 7.1- Fenmenos estticos en la friccin .. 173

    Figura 7.2- Rueda con friccin distribuida o puntual .. 174

    Figura 7.3- Coeficiente de adhesin para friccin de Coulomb yaproximada con (7.28) .. 175

    Figura 7.4- Coeficientes admisibles para el caso bidimensional de Coulomb. 176

    Figura 7.5- Curva propuesta en [Dugoff et al. 70] para el coeficiente defriccin en distintas condiciones de velocidad y adherencia 177

    Figura 7.6- Curva esttica para el coeficiente de friccin lateral vs.ngulo de deslizamiento .... 178

    Figura 7.7- Carretilla industrial Nichiyu FBT15 serie 65 187

    Figura 7.8- Vista de planta de la carretilla industrial con la representacin

    esquemtica tipo triciclo .... 188Figura 7.9- Diferencia entre los elementos del vector de velocidad del

    vehculo al calcularlos con MCD y con WLS optimizado 193

    Figura 7.10- Vector de velocidad calculado con MCD para los 1155 puntos 194

    Figura 7.11- Error numrico medio cometido en (7.63) al calcular el vectorde velocidad calculado con MCD . 194

    Figura 7.12- Caminos obtenidos con MD, MQE, MCD y WLS para paresnulos y condiciones iniciales no nulas .. 195

    Figura 7.13- Caminos obtenidos con MD, MQE, MCD y WLS con pares

    de rotacin no nulos y condiciones iniciales no nulas .. 196Figura 7.14- Evolucin de los elementos del vector de velocidad del vehculo

    segn el MD para el segundo ejemplo de simulacin . 197

    Figura 7.15- Camino obtenido con WLS optimizado y no optimizadoal recorrer aproximadamente un rectngulo . 199

    Figura 7.16- Medidas de velocidades en las ruedasfijas y en la orientacinde la rueda orientable en experimento del rectngulo ...... 199

    Figura 7.17- Camino obtenido con el FK1 optimizado y no optimizadopara los datos de la Figura 7.16 . 200

    Figura 7.18- Camino obtenido con el FK2 optimizado y no optimizadopara los datos de la Figura 7.16 . 201

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    18 ndice de figuras

    Figura 7.19- Caminos obtenidos con WLS, el FK1, el FK2 y el modelodiferencial para distintos experimentos tipo rectngulo .... 202

    Figura 7.20- Caminos obtenidos con WLS, el FK1, el FK2 y el modelo

    diferencial para el segundo tipo de camino en forma de tirabuzn 203Figura 7.21- Caminos obtenidos con WLS, el FK1, el FK2 y el modelo

    diferencial para el tercer tipo de camino en forma de D ....... 203

    Figura 7.22- Caminos obtenidos con WLS, el FK1, el FK2 y el modelodiferencial para el cuarto tipo de camino en forma de ocho . 204

    Figura 7.23- Caminos obtenidos con WLS, el FK1, el FK2 y el modelodiferencial para el quinto tipo de camino en forma de triple bucle 204

    Figura 7.24- Interfaz del terminal tctil incorporado en la carretilla industrial . 205

    Figura 7.25- Coeficiente longitudinal en deslizamiento longitudinal

    puro y velocidad longitudinal de rueda entre 1 y 18 m/s .. 209Figura 7.26- Coeficiente lateral en deslizamiento lateral puro y velocidad

    longitudinal de rueda entre 1 y 9 m/s 210

    Figura 7.27- Coeficiente de adhesin longitudinal en deslizamientocombinado . 211

    Figura 7.28- Proyeccin de las curvas de nivel del coeficiente de adhesinlongitudinal en deslizamiento combinado respecto al ngulode deslizamiento .... 211

    Figura 7.29- Coeficiente de adhesin lateral en deslizamiento combinado .. 212

    Figura 7.30- Proyeccin de las curvas de nivel del coeficiente de adhesinlateral en deslizamiento combinado respecto al ratio dedeslizamiento .... 212

    Figura 8.1- Esquema general de control del vehculo . 218

    Figura 8.2- Ejemplos de funcin: f1 no es C0; f2 es C

    0 pero no C1 .. 227

    Figura 8.3- Variables del camino en un punto de tangente continua .. 228

    Figura 8.4- Variables y parmetros de la carretilla industrial . 234

    Figura 8.5- Ejemplo 1 de seguimiento de referencia: camino seguido porla referencia, origen de R y punto medio de las rueda fijas .. 236

    Figura 8.6- Orientacin3, error enx y error eny para ejemplo 1 236

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    ndice de figuras 19

    Figura 8.7- Ejemplo 2 de seguimiento de referencia: camino seguido porla referencia, origen de R y punto medio de las rueda fijas .. 237

    Figura 8.8- Orientacin3, error enx y error eny para ejemplo 2 237

    Figura 8.9- Experiencias de seguimiento de trayectoria rectilnea: caminoseguido por referencia, origen de R y punto medio ruedasfijas ... 240

    Figura 8.10- Orientacin3, error enx y error eny en caso de recta 241

    Figura 8.11- Experiencia de seguimiento de trayectoria circular: caminoseguido por referencia, origen de R y punto medio ruedasfijas ... 241

    Figura 8.12- Orientacin3, error enx y error eny para el crculo 242

    Figura 9.1- Modelo bsico de formacin de imagen . 250

    Figura 9.2- Relacin entre el sistema de coordenadas del suelo y el de

    la cmara .. 251Figura 9.3- Vista de planta del vehculo, cmara, lnea a seguir y sus

    sistemas de coordenadas .. 252

    Figura 9.4- Vista de perfil de la cmara, lnea a seguir y sus sistemas decoordenadas .. 253

    Figura 9.5- Posibilidades de lneas de seguimiento . 254

    Figura 9.6- Situacin de calibracin 256

    Figura 9.7- Ejemplo de calibracin 258

    Figura 9.8- Lneas detectadas en ejemplo de posicionamiento con sistemacalibrado 259

    Figura 9.9- Posicionamientos obtenidos . 260

    Figura 9.10- Posicionamiento en campo de chufas .. 260

    Figura 9.11- Transformada deHough de la Figura 9.10 (b) .. 261

    Figura 9.12- Posicionamiento obtenido con sistema de visin . 262

    Figura 9.13- Trazados en seguimiento de lnea simulado: Referencia,P origen de R y punto medio de las ruedasfijas 264

    Figura 9.14- Evolucin de las velocidades de control de las ruedasfijas delvehculo diferencial en el seguimiento de lnea simulado ... 265

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    24/306

    20 ndice de figuras

    Figura 9.15- Vehculo de pruebas tipo diferencial 266

    Figura 9.16- Interfaz desarrollada para el seguimiento de lnea 267

    Figura 9.17- Fases del aparcamiento . 269

    Figura 9.18- Parmetros geomtricos del espacio de aparcamiento . 270

    Figura 9.19- Parmetros geomtricos del vehculo tipo coche 271

    Figura 9.20- Descripcin del CIR y distancias d1, d2, d3 y d4 .. 272

    Figura 9.21- Relacin entre el ngulo y la posicin de Pi 273

    Figura 9.22- Desplazamiento entre dos arcos simtricos de valor 273

    Figura 9.23- Caractersticas de la colisin en la primera maniobra .. 275

    Figura 9.24- Maniobra previa para alcanza el punto de posicionamiento . 277

    Figura 9.25- Interfaz de los parmetros del vehculo .. 279

    Figura 9.26- Interfaz de los parmetros del espacio de aparcamiento .. 279

    Figura 9.27- Ejemplo 1 de aparcamiento con el planificador desarrollado .. 280

    Figura 9.28- Ejemplo 2 de aparcamiento con el planificador desarrollado .. 280

    Figura 9.29-Zoom del ejemplo 2 de aparcamiento .. 281

    Figura 9.30- Relacin maniobras-ratio en el ejemplo 1 de aparcamiento 281

    Figura 9.31- Vehculo elctrico de pruebas sobre el que implementar elPlanificador de aparcamiento desarrollado ... 282

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    Notacin 21

    NOTACIN

    A continuacin se indican los smbolos utilizados, agrupados segn el captulodonde aparecen por primera vez.

    En el Captulo 3

    p Postura del vehculo

    p Vector de velocidad del vehculo

    R Sistema de coordenadas del vehculo

    R Sistema de coordenadas estacionario y coincidente con el RS

    iSistema de coordenadas del brazo de direccin de la rueda i

    Li

    Sistema de coordenadas de la rueda i

    Mi

    Sistema de coordenadas del rodillo de la rueda i

    Ei

    Sistema de coordenadas entre rodillo de la rueda i y el suelo

    Ei

    Sistema de coordenadas estacionario y coincidente con el Ei

    G Sistema de coordenadas global estacionarioR

    Eiv Velocidad de deslizamiento entre el rodillo y el suelo respecto al sistema RE

    E slipi

    i iv v Velocidad de deslizamiento entre el rodillo y el suelo respecto al sistema Ei

    RRx xv v Velocidad del vehculo respecto a la coordenadaXdel sistema R

    RRy yv v Velocidad del vehculo respecto a la coordenada Ydel sistema R

    RR Velocidad angular del vehculo

    i Velocidad angular del brazo de direccin de rueda respecto a la plataforma

    i Velocidad de rotacin de la rueda

    i Velocidad de rotacin del rodillo

    ri

    Radio equivalente de la rueda

    ri

    Radio del rodillo

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    22 Notacin

    ( )Rot Matriz bidimensional de rotacin

    li

    Distancia del origen del sistema del vehculo al eje de articulacin

    de la direccin de la rueda

    d i Distancia del eje de articulacin de direccin al centro de la ruedai ngulo entre el vector definido por li y el sistema del vehculo R

    i ngulo del brazo de direccin

    i

    ngulo entre el brazo de direccin y la rueda

    i ngulo entre la rueda y el rodillo

    cos( ) c Funcin coseno

    sin( ) s Funcin seno

    ( )Z Rot Matriz de rotacin tridimensional en el ejeZG

    R Orientacin del vehculoR

    Rv Velocidad lineal del vehculo respecto al sistema R

    wiq Vector de velocidad de ruedai

    J Matriz Jacobiana de rueda

    J Matriz Jacobiana compuesta

    Matriz compuesta de matrices identidad de dimensin 3f Subndice de ruedafijao Subndice de rueda orientablec Subndice de rueda castors Subndice de rueda suecaN Nmero de ruedas del vehculo

    wq Vector de todas las velocidades de ruedas

    slipv Vector de todas las velocidades de deslizamiento de rueda

    A Matriz compuesta del vehculoq Vector de todas las velocidades (de ruedas y del vehculo)

    pA Parte de la matriz compuesta que multiplica al vector p

    wA Parte de la matriz compuesta que multiplica al vector wq

    En el Captulo 4

    N() Espacio nuloB Base del espacio nulo de la matriz compuesta del vehculo Vector de movilidad del vehculo

    m Grado de movilidad del vehculok Nmero de velocidades (de ruedas y del vehculo)

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    Notacin 23

    g Rango de la matriz compuesta del vehculo

    aq Vector de velocidades asignadas

    naq Vector de velocidades no asignadas

    aB Submatriz de B definida por las velocidades asignadasnaB Submatriz de B definida por las velocidades no asignadas

    o Vector de todos los ngulos de las ruedas orientables

    c Vector de todos los ngulos de las ruedas castor

    12l Semidistancia entre las ruedasfijas para el vehculo tipo triciclo

    3l Distancia entre la rueda orientable y el origen del sistema R para el

    vehculo tipo triciclor Radio de las tres ruedas del vehculo tipo triciclo

    ( ) Funcin auxiliar para el clculo del error residual obtenido al aplicar elalgoritmo de Mnimos Cuadrados

    H Nmero de velocidades de rueda independientes

    G Nmero de velocidades del vehculo independientesw

    iNmero de velocidades de la rueda i

    pJ Reordenacin de matriz Jacobiana compuesta segn accionadas

    pq Reordenacin del vector de velocidades de rueda segn accionadas

    u Subndice de accionadasnu Subndice de no accionadass Subndice de sensorizadasns Subndice de no sensorizadas

    En el Captulo 5

    K Matriz de restricciones al movimiento del vehculo*K Matriz de restricciones al movimiento del vehculo debidas a las ruedas

    fijas y orientables*fK Matriz de restricciones al movimiento del vehculo debidas a lasfijas

    *oK Matriz de restricciones al movimiento del vehculo debidas a orientables

    fN Nmero de ruedasfijas en el vehculo

    oN Nmero de ruedas orientables en el vehculo

    m Grado de movilidad del vehculod Grado de direccionabilidad del vehculo

    H Matriz de relacin entre vector de salida y vector de entrada Nmero de condicin de una matriz

    2 Norma Eucldea

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    24 Notacin

    Pseudo inversa de una matriz

    max Valor singular ms grande de la matriz

    min Valor singular ms pequeo de la matriz

    na_sq

    Velocidades no asignadas utilizadas para isotropana_nsq Velocidades no asignadas no utilizadas para isotropa

    na_sB Submatriz definida por las velocidades no asignadas utilizadas en isotropa

    na_nsB Submatriz definida por las velocidades no asignadas no utilizadas en

    isotropa

    En el Captulo 6

    iE Vector de la ecuacin de rueda que multiplica al vector de velocidad del

    vehculo p

    y cuyo resultado es igual a ceroi

    F Vector de la ecuacin de rueda que multiplica a p y cuyo resultado seiguala a la velocidad de rotacin

    iF Vector de la ecuacin de rueda que multiplica a p y cuyo resultado se

    iguala a la velocidad de orientacin

    iF Vector de la ecuacin de rueda que multiplica a p y cuyo resultado se

    iguala a la velocidad de orientacin y a la de rotacinE Agrupacin de vectores

    iE

    F Agrupacin de vectoresi

    F r Matriz con los radios de las ruedas y distancias del brazo de direccin de

    las ruedas castor

    a Subndice de asignadasna Subndice de no asignadassg Subndice de ruedas omnidireccionales singulares

    nsg Subndice de omnidireccionales no singulares

    G Matriz que se multiplica por p y cuyo resultado es igual a cero

    ( ) dx y= Vector fila que representa una recta en el espacio bidimensionalT( )

    x yVector unitario bidimensional de una recta

    d Distancia de una recta bidimensional al origen

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    Notacin 25

    En el Captulo 7

    fric_c iF Fuerza de friccin debida a la ley de Coulomb

    c i Coeficiente de friccin o adhesin debido a la ley de CoulombdisP Potencia disipada por las fuerzas de friccin

    bv Velocidad de un bloque libre en una dimensin

    fric_bF Fuerza de friccin sobre bloque

    dis_bP Potencia disipada por fuerza de friccin sobre bloque

    T Energa cintica del vehculoQ Vector de fuerzas generalizadas sobre el vehculo

    oN Nmero de ruedas orientables en el vehculo

    cN Nmero de ruedas castoren el vehculo

    sN Nmero de ruedas suecas en el vehculo

    i

    Par de rotacin de la rueda i

    osi Par de direccionamiento de la rueda orientablei

    csi Par de direccionamiento de la rueda castori

    oi Velocidad de direccionamiento de la rueda orientablei

    ci Velocidad de direccionamiento de la rueda castor i

    fric iF Fuerza de friccin en la rueda i respecto al sistema EiG p Vector de velocidad del vehculo respecto al sistema global GR p Vector de velocidad del vehculo respecto al sistema coincidente

    Vector de pares agrupados

    fricF Agrupacin de las fuerzas de friccin en las ruedas

    TM Masa del vehculo sin incluir las ruedas castorcM i Masa de la rueda castor i

    TI Momento de inercia del vehculo sin incluir las ruedas castor

    Ii

    Momento de inercia de la ruedas i respecto a su eje de rotacin

    rI i Momento de inercia del rodillo de la rueda sueca i

    osI i Momento de inercia de la rueda orientable i respecto al ejeZ

    csI i Momento de inercia de toda la rueda castor i respecto al ejeZG

    CMv Velocidad del CM del vehculo (sin incluir castor) respecto a GG

    Rv Velocidad del origen del sistema R del vehculo respecto al sistema GG

    cm iv Velocidad de la rueda castor i respecto al sistema global G

    jif Funciones para rueda castor i que dependen de Gcm Rl , d , , , y .i i i i

    NF Fuerza de reaccin en el punto de contacto entre rueda y suelo

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    26 Notacin

    fric aF Fuerza de friccin en la coordenada a

    a Coeficiente de friccin o adhesin en la coordenada a

    Coeficiente de friccin o adhesin vectorial*

    Coeficiente de friccin vectorial que maximiza el ratio de disipacin

    y Coeficiente de friccin longitudinal en la rueda

    x Coeficiente de friccin lateral en la rueda

    s Ratio de deslizamiento longitudinal

    wheelyv Velocidad longitudinal del centro de la rueda

    s ngulo de deslizamiento

    Subndice que indica el valor estacionario de una variable o vectorR

    Rv Velocidad del sistema R del vehculo respecto su coincidenteG q Vector de velocidades con vector de velocidad del vehculo respecto a GR q Vector de velocidades con vector de velocidad del vehculo respecto a R

    aj Par de rotacin no libre de la ruedaj

    csaj Par de direccin no libre de la rueda castorj

    aj Velocidad de rotacin no libre de ruedaj

    caj Velocidad de direccin no libre de rueda castorj

    fric ( )i f Funcin genrica bidimensional para el clculo de fuerza de friccin

    Matriz de ponderacin de la ecuacin cinemtica sin deslizamiento

    i Matriz de ponderacin de las ecuaciones cinemticas de la rueda i

    LSJ ndice minimizado por el algoritmo de mnimos cuadrados

    CMl Distancia del CM de la carretilla al eje de rotacin de las ruedasfijas

    aA Matriz de velocidades asignadas con ponderacin de ecuacionesnaA Matriz de velocidades no asignadas con ponderacin de ecuaciones

    12 12( , )x y Coeficientes de friccin lateral y longitudinal de ruedasfijas de carretilla

    3x Coeficiente de friccin lateral de la rueda orientable de la carretilla

    11k Constante de relacin entre coeficientes de friccin 12x y 12y

    12k Constante de relacin entre coeficientes de friccin 12x y 3x

    T Periodo del sistema de adquisicin de medidas

    1ky Vector de salida para el FK1 en el instante discreto k

    1kC Matriz de salida para el FK1 en el instante discreto k

    2ky Vector de salida para el FK2 en el instante discreto k

    2kC Matriz de salida para el FK2 en el instante discreto kk

    Q Matriz de covarianza de ruido en el proceso en el instante k

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    Notacin 27

    kR Matriz de covarianza de ruido en la medida en el instante k

    kP Matriz de covarianza del error en el instante k

    kK Matriz de correccin o de ganancia en el instante k

    13k Desviacin tpica del ruido en los elementos del vector p de la ecuacinde estado

    14k Desviacin tpica del ruido en la velocidad de las ruedasfijas para el FK1

    15k Desviacin tpica del error de la ecuacin correspondiente a la coordenada

    perpendicular de la rueda orientable para el FK1

    16k Desviacin tpica del error de la ecuacin correspondiente a la coordenada

    perpendicular de las ruedasfijas para el FK2

    17k Desviacin tpica del ruido en la velocidad de las ruedasfijas para el FK2

    18k Desviacin tpica del error de la ecuacin correspondiente a la coordenada

    perpendicular de la rueda orientable para el FK2

    MQEJ ndice de error del modelo de movimiento quasi-esttico en simulacin

    MCDJ ndice de error del modelo cinemtico con deslizamiento en simulacin

    WLSJ ndice de error de la solucin de mnimos cuadrados ponderada en

    simulacinJ ndice de error para los caminos obtenidos con WLS, FK1, FK2 y el

    modelo diferencial en los experimentos reales

    7k Factor de pico de la frmula mgica de Pacejka

    8k Factor de forma de la frmula mgica de Pacejka

    9k Factor de rigidez de la frmula mgica de Pacejka

    10k Factor de curvatura de la frmula mgica de Pacejka

    En el Captulo 8

    efp Postura de referencia establecida por el planificador

    controlp Vector de velocidad del vehculo a conseguir por control dinmico

    refi Velocidad de rotacin a conseguir por el control dinmico

    refi Velocidad de direccin a conseguir por control dinmico

    refi Orientacin de rueda orientable a conseguir por control dinmico

    iV Tensiones aplicadas a los actuadores

    i

    Pares aplicados por los actuadores

    si Velocidad de rotacin sensorizada

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    28 Notacin

    si Velocidad de direccin sensorizada

    si Orientacin sensorizada de rueda

    castori Orientacin de rueda castorcon alguna velocidad de rueda accionada

    cA Matriz diagonal del control de posicincB Matriz diagonal del control de posicin

    ca Polos asignados por el control de posicin

    T Periodo del sistema de adquisicin de medidas y controlG

    R Orientacin del vehculoR p Vector de velocidad del vehculo respecto al sistema coincidente RG p Vector de velocidad del vehculo respecto al sistema global GG

    xv Velocidad del vehculo respecto a la coordenadaXdel sistema global G

    Gv Velocidad del vehculo respecto a la coordenada Ydel sistema global G

    ( )i

    f Funcin genrica que slo depende de la variable 0C Una funcin es 0C si es continuanC Una funcin es nC si su derivada ensima es continua

    ngulo que forma el vector tangente al camino o curva con el ejeX

    av Velocidad de avance de la trayectoria 2D

    g Velocidad de giro de la trayectoria 2D

    c Curvatura del camino

    c Radio de curvatura del camino

    cC Centro de curvatura del camino

    e Distancia entre el punto que hace el seguimiento (origen de R) y el eje derotacin de las ruedasfijas de la carretilla

    G R refx Posicin de referencia del vehculo respecto a la coordenadaXde GG

    R refy Posicin de referencia del vehculo respecto a la coordenada Yde GG

    controlxv Velocidad de control de la coordenadaXdel vector p G

    controlyv Velocidad de control de la coordenada Ydel vector p

    xa Polo asignado a la dinmica de la coordenadaXdel vector p

    ya Polo asignado a la dinmica de la coordenada Ydel vector p

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    Notacin 29

    En el Captulo 9

    ( , , )c c c

    X Y Z Sistema de coordenadas de la cmara

    ( , , )c c cx y z Posicin de un punto respecto al sistema de coordenadas de la cmara( , )u uX Y Sistema de coordenadas del plano de la imagen

    ( , )u u

    x y Posicin de un punto en el plano de la imagen

    f Distancia focal efectiva de la cmara

    ( , )p p

    x y Posicin de un punto en el plano de la imagen en coordenadas de pxel

    ( , )x y

    C C Coordenadas en pxeles del centro del plano imagen

    (d ,d )x y

    Tamao de los elementos sensores de la cmara en los dos ejes

    ( , , )w w w

    X Y Z Sistema de coordenadas del suelo

    ( , , )w w w

    x y z Posicin de un punto respecto al sistema de coordenadas del suelo

    ( , , ) x y zt t t Vector de desplazamiento entre los sistemas de la cmara y el del suelo

    ngulo de inclinacin de la cmara respecto a la vertical ngulo de giro entre el sistema de la cmara y el del suelo

    v Altura del objetivo de la cmara respecto a la lnea a seguirP Punto solidario al vehculo perteneciente al eje del objetivo de la cmara

    que se quiere que haga el seguimiento

    Pz Distancia del punto P al objetivo de la cmara

    h Distancia entre P y la lnea a seguird Distancia real de separacin entre lneas paralelas a seguirn Parmetro que indica la lnea a seguir de entre las que son paralelas

    1 2( , ,A)x x Valores de plano imagen para poder aplicar sistema de calibracin

    ( , )w wx y Valores de plano real para poder aplicar sistema de calibracin

    J Anchura del espacio de aparcamientoH Longitud del espacio de aparcamientoMS Margen de seguridad con los obstculosJ' Ancho efectivo del espacio de aparcamientoH' Longitud efectiva del espacio de aparcamiento

    1a Distancia entre el eje trasero de ruedas y la parte delantera del vehculo

    1b Distancia entre el eje trasero de ruedas y la parte de atrs del vehculo

    1h Distancia entre el eje trasero de ruedas y el centro de la rueda orientable

    1d Distancia entre los centros de las ruedasfijas

    1c Ancho del vehculo

    r Radio de las ruedas

    d

    Orientacin de la rueda de direccin equivalente

    dmax Mxima orientacin posible de la rueda de direccin equivalente

    fP Punto fijo entre las ruedasfijas que sigue la trayectoria

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    30 Notacin

    CIR Centro instantneo de rotacin del vehculo Radio de giro, desde el CIR hasta el punto Pf

    Pi Esquina del vehculo

    id Distancia del CIR a la esquina del vehculo Pi ngulo de cada uno de los arcos simtricos de una maniobra

    1dx Distancia del punto Pfal obstculo delantero al iniciar primera maniobra

    2dx Separacin inicial entre el punto Pfy los obstculos delantero y trasero

    3dy Distancia recorrida en pasada de reconocimiento a partir de la deteccin del

    obstculo delantero

    maxW Distancia actual disponible al obstculo lateral

    ratio Medida porcentual del espaci longitudinal disponible para el aparcamiento

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    Captulo 1. Introduccin 31

    CAPTULO 1

    INTRODUCCIN

    1.1 INTRODUCCIN

    Una de las temticas clsicas del rea de conocimiento de Ingeniera de Sistemas

    y Automtica es la robtica.

    El mundo de la robtica est experimentando un crecimiento explosivo

    impulsado por los avances en computacin, sensores, electrnica,

    comunicaciones y software. Los robots estn en la antesala de revolucionar losprocedimientos que se emplean en la agricultura, minera, industria en general,

    etc. atrayendo los distintos mercados.

    Dentro de la robtica se encuentra el campo de los robots manipuladores,

    que ha experimentado un alto desarrollo desde la dcada de los setenta, y la

    denominada robtica mvil, que ha cobrado una importancia creciente durante

    los aos ochenta y noventa.

    Tanto en los robots manipuladores como en la robtica mvil existen puntos

    de inters comn: el modelado cinemtico, el modelado dinmico, el control

    (arquitecturas, algoritmos), la planificacin, el reconocimiento del entorno, etc.

    En el caso de robots manipuladores existe ya una abundante bibliografa que

    aborda los aspectos anteriores, mientras que para robots mviles todava se estn

    realizando un considerable nmero de investigaciones y desarrollos al respecto.

    As pues, la presente tesis surge ante la necesidad de dar respuesta a las

    cuestiones cinemticas (modelado, control, ) de los robots mviles con ruedas.

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    32 Captulo 1. Introduccin

    1.2 OBJETIVOS DE LA TESIS

    En el ao 2000 se estableci como meta de la presente tesis doctoral el estudio de

    aquellas cuestiones relacionadas con la cinemtica de robots mviles con ruedas.

    Durante el desarrollo de la tesis se han ido planteando y resolviendo

    objetivos concretos. A continuacin se describen los objetivos principales de la

    tesis:

    Desarrollar una metodologa completa de modelado cinemtico de vehculossin deslizamiento, mejorando (y unificando en algunos casos) lo

    desarrollado por otros autores. (Captulos 3 y 4)

    Proporcionar una completa gua sobre los modelos cinemticos devehculos, su transmisin de errores (Isotropa) y condiciones desingularidad. (Captulos 5 y 6)

    Establecer un modelado cinemtico con deslizamiento a partir, a diferenciade otros autores, de principios fsicos. (Captulo 7)

    Obtener un mtodo de control cinemtico que anule el error en elseguimiento de referencias para cualquier tipo de vehculo. (Captulo 8)

    Plantear soluciones a dos aplicaciones concretas, el seguimiento de lnea porvisin y el aparcamiento en paralelo, sobre las que poder aplicar el controlcinemtico anterior. (Captulo 9)

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    Captulo 1. Introduccin 33

    1.3 ESTRUCTURA DE LA TESIS

    La presente tesis doctoral est organizada en diez captulos, incluyendo ste.

    El Captulo 2, estado del arte, es preliminar y representa una mirada deconjunto a las distintas temticas de la tesis.

    La revisin anterior se completa de forma pormenorizada en el resto de

    captulos, fundamentalmente en su introduccin particular, lo que permite

    encauzar el desarrollo de los mismos.

    El ltimo punto de cada captulo presenta las aportaciones y conclusiones

    correspondientes al mismo.

    En el Captulo 3 se deducen las relaciones cinemticas entre variables de

    rueda y vehculo para una rueda genrica, que incluye los tipos habituales (fija,orientable, castor, sueca), empleando una eficiente formulacin cinemticarecursiva.

    En el Captulo 4 se presentan tres mtodos para generar modelos

    cinemticos de vehculos con ruedas sin deslizamiento, los cuales son aplicados

    al vehculo tipo triciclo y comparados.

    En el Captulo 5 se deduce una clasificacin genrica de vehculos para los

    que se obtiene su caracterizacin, modelado cinemtico y transmisin de errores

    a travs del concepto de isotropa.

    En el Captulo 6 se obtiene un planteamiento geomtrico general quecaracteriza la singularidad de cualquier modelo cinemtico de cualquier vehculo

    con ruedas, este planteamiento se aplica a los cinco tipos de vehculos deducidos

    en el captulo anterior.

    En el Captulo 7 se deducen tres tipos de modelos con deslizamiento a partir

    de sucesivas aproximaciones del modelo dinmico del vehculo. Estos modelos

    se comparan, para el vehculo triciclo, con el modelo dinmico en simulacin y

    con el filtro de Kalman en una situacin real.

    En el Captulo 8 se presenta un control cinemtico de vehculos basado en

    tres bucles anidados y se caracterizan las referencias que puede seguir sin error

    cada tipo de vehculo. El control cinemtico anterior se particulariza para el casodel vehculo triciclo, probndose tanto en simulacin como en una situacin real.

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    34 Captulo 1. Introduccin

    En el Captulo 9 se ha dado solucin a dos aplicaciones robticas concretas:

    el seguimiento de lnea por visin y el aparcamiento en lnea.

    Finalmente en el Captulo 10 se destacan las conclusiones ms relevantes y

    se propone una serie de trabajos futuros para distintas lneas de la tesis.

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    Captulo 2. Estado del arte 35

    CAPTULO 2

    ESTADO DEL ARTE

    Con objeto de no descontextualizar la revisin bibliogrfica, dada la disparidadde captulos, aqu se plantea una visin de conjunto sobre las distintas temticas

    de la tesis. Posteriormente, en la introduccin particular de cada captulo se

    realiza un estudio ms detallado de las distintas referencias o fuentes que permite

    encauzar los desarrollos del captulo en cuestin.

    El modelado y el control son puntos de inters tanto en robots

    manipuladores como en robots mviles.

    En el caso de los robots manipuladores existe una abundante bibliografa,

    ver por ejemplo [Fu et al. 88] y [Ollero 01], que aborda su modelado cinemtico,

    dinmico y/o control.

    La mayor parte de los robots manipuladores son brazos articulados ytradicionalmente se modelan, desde el punto de vista cinemtico, con matrices de

    transformacin homognea entre sistemas de coordenadas. Para el modelado

    dinmico se manejan distintas formulaciones y mtodos: Lagrange-Euler,Newton-Euler, ecuaciones generalizadas de dAlambert, etc.

    Para mejorar sus prestaciones se investiga en tcnicas para identificar los

    modelos dinmicos eficientemente y en mtodos de control de articulaciones que

    compensan no-linealidades y acoplamientos [An et al. 88], as como en

    optimizacin dinmica y control adaptativo para distintas condiciones de trabajo[Craig 88] [Ortega et al. 89].

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    36 Captulo 2. Estado del arte

    Por otro lado, para la robtica mvil existe una reciente bibliografa, ver por

    ejemplo [Inoue et al. 97] [Lyshevski et al. 00] [OConnor et al. 96] [Canudas et

    al. 97] [Samson 95], que aborda su modelado cinemtico, dinmico y/o control.

    Desde el punto de vista del modelado cinemtico de vehculos con ruedas,

    las publicaciones que han causado un mayor impacto hasta ahora son [Muir et al.

    87] [Campion et al. 96] [Alexander et al. 89], referidas en un gran nmero de

    publicaciones y libros.

    Prcticamente slo en [Muir et al. 87] se plantea un mtodo sistemtico

    basado en matrices de transformacin homognea, de forma anloga al caso de

    robots manipuladores, para obtener las relaciones cinemticas entre las variables

    de rueda y del vehculo, lo cual permite un posterior modelado del vehculo en su

    conjunto. En el Captulo 3 de la tesis se plantea una forma ms genrica y

    eficiente de obtener las relaciones anteriores, utilizando una formulacincinemtica recursiva. Posteriormente en [Muir et al. 87] se realiza un estudio del

    modelo del vehculo aplicando un tratamiento de ecuacin algebraica matricial

    genrica y grafos en forma de rbol.

    En [Campion et al. 96] fundamentalmente se realiza una clasificacin de

    todos los vehculos en cinco tipos bsicos y se obtienen modelos cinemticos

    directos con variables de entrada sin sentido fsico. Esta clasificacin genrica se

    utiliza en varios captulos de la tesis (5, 6 y 8).

    En [Alexander et al. 89] se plantean modelos cinemticos directos e inversos

    parciales para relacionar variables de rueda y del vehculo, no permitiendo una

    perspectiva global del vehculo.

    Por otra parte la transmisin de errores en los modelos cinemticos directos

    o inversos, cuando se considera un error de entrada, ha sido estudiada por

    distintos autores a travs de la caracterizacin de matrices isotrpicas [Saha et al.

    95] [Low et al. 05] [Kim2 et al. 04] [Kim et al. 05].

    Otros autores la han estudiado desde un punto de vista emprico para la

    correccin de errores sistemticos [Borenstein et al. 94] o estimacin de distintos

    parmetros del error [Martinelli 02] [Kleeman 95].

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    Captulo 2. Estado del arte 37

    Un aspecto importante es que los modelos cinemticos dependen de los

    ngulos de las ruedas con articulacin de direccin, por lo que hay valores

    especiales de estos ngulos para los que se produce la singularidad del modelo,

    que implica deslizamiento o prdida de movilidad en el vehculo.

    La singularidad de robots manipuladores ha sido ampliamente estudiada

    [Tourassis et al. 92] [Dinesh et al. 92] [Liu et al. 03] [Lipkin et al. 91] mientras

    que en vehculos slo existe alguna pequea aproximacin [Yi et al. 02].

    Por otro lado, la necesidad de considerar modelos cinemticos con

    deslizamiento puede venir dada por una redundancia en la informacin de

    sensores, de forma similar al filtro de Kalman, o por una sobre-actuacin en elvehculo.

    En [Muir et al. 87] se considera una solucin cinemtica con informacinredundante que viola el modelo de slido rgido del vehculo, mientras que la

    propuesta en [Kim et al. 04] minimiza una norma Eucldea sin un sentido fsico

    definido. En [Tham et al. 98] se consideran varias relaciones cinemticas con

    variables de deslizamiento sin una justificacin rigurosa. Finalmente en

    [Alexander et al. 89] se propone minimizar una funcin de disipacin que en

    general no produce una solucin correcta y que no tiene en cuenta fuerzas

    externas.

    Otros autores han abordado el modelado dinmico de vehculos con

    deslizamiento [Balakrishna et al. 95] [Williams et al. 02] [Lindgren et al. 02].

    Para el control del vehculo o robot mvil algunos autores han planteado

    mtodos geomtricos [Ollero et al. 94] [Shin 90] y otros la utilizacin de

    herramientas de la teora de control clsica: aproximacin lineal [OConnor et al.

    96]; linealizacin exacta [d'Andra-Novel et al. 95] [De Luca et al. 93] [Park et

    al. 99] [Tzafestas et al. 01]; controlabilidad [Samson 95] [Monaco et al. 91]

    [Murray et al. 93]; estabilidad porLyapunov [Lyshevski et al. 00] [Canudas et al.97] [Dixon et al. 00]; control adaptativo [Inoue et al. 97] [Dixon et al. 01] [Fukao

    et al. 00]; control predictivo [Ollero et al. 91]; etc.

    Por otro lado, el seguimiento de lnea es una aplicacin habitual en robticamvil, utilizndose normalmente cables o sensores pticos. Con los ltimos

    avances tecnolgicos se ha ido incrementando el uso de sistemas de visin para

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    38 Captulo 2. Estado del arte

    esta aplicacin. La visin tiene algunas ventajas respecto a los otros mtodos

    aunque con el inconveniente del coste computacional asociado al tratamiento de

    imagen: umbralizado, segmentacin, deteccin de contornos, etc. Para mejorar

    dicho tratamiento se utilizan herramientas como la transformada de Hough[Hough 59]. En [Marchant 95] se establece el posicionamiento a partir de un

    sistema de visin respecto a una lnea, para lo cual se realiza una aproximacin

    (innecesaria como demuestra el Captulo 9) que da lugar a relaciones inexactas.

    Por otra parte, para el aparcamiento en lnea se pueden utilizar

    planificadores de propsito general [Latombe 91] [Laumond et al. 94], con alto

    coste computacional, o planificadores ms especficos [Tilbury et al. 93] [Zhao et

    al. 05] [Paromtchik et al. 96] [Jiang et al. 99] [Holve et al. 96] [Miyata et al. 96]

    [Baturone et al. 04] [Cuesta et al. 04].

    En concreto en [Paromtchik et al. 96] [Jiang et al. 99] se realiza elaparcamiento con una preplanificacin de tres fases y acciones de control

    preestablecidas o caracterizacin geomtrica. La caracterizacin geomtrica de

    [Jiang et al. 99] es incompleta, adems de no optimizarse determinados

    parmetros del aparcamiento.

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    Captulo 3. Relaciones cinemticas 39

    CAPTULO 3

    RELACIONES CINEMTICAS ENVEHCULOS CON RUEDAS

    3.1 INTRODUCCIN

    El primer paso para obtener modelos cinemticos para distintos tipos de

    vehculos, bien sean con o sin deslizamiento, es conseguir las relaciones

    cinemticas entre los distintos tipos de variables que intervienen en el vehculo.

    Dichas variables son ([Campion et al. 96] [Muir et al. 89]):

    Asumiendo movimiento horizontal, la posicin de la estructura del vehculo

    queda completamente definida con tres variables escalares, dos lineales y

    otra angular (ej. x, y, ), cuya forma vectorial (ej. p) se denomina posturadel vehculo.

    Su derivada de primer orden respecto al tiempo ( p ) se denomina vector de

    velocidad del vehculo, y separadamente (vx, vx, ) velocidades delvehculo.

    De igual modo, las articulaciones de direccin y rotacin de la rueda dan

    lugar al vector de velocidad de rueda y a las velocidades de rueda.

    Varias publicaciones han abordado el modelado de una rueda como paso

    previo al modelado de todo el vehculo.

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    40 Captulo 3. Relaciones cinemticas

    Quizs, [Muir et al. 89] sea la metodologa de modelado ms destacada,

    donde se emplean matrices de transformacin homognea para relacionar

    sistemas de coordenadas, de forma anloga al caso tradicional de robots

    manipuladores. El resultado es una relacin (matriz Jacobiana de rueda) entre el

    vector de velocidad del vehculo y las velocidades de rueda. Sin embargo, lo

    planteado en [Muir et al. 89] tiene los siguientes inconvenientes:

    Se consideran tres ecuaciones por rueda, cuando realmente slo hay dos

    restricciones (bajo el supuesto de no deslizamiento) por rueda. Esto se

    debe a introducir una variable de velocidad de rueda sin sentido prctico,

    ya que no puede ser sensorizada ni actuada. Esto produce un coste

    computacional innecesario, adems de una inconsistencia cinemtica al

    calcular la evolucin del vehculo con informacin redundante, como se

    muestra en el captulo de modelado con deslizamiento. Por todo ello, se

    debera haber sustituido la tercera ecuacin en las otras dos.

    La rotacin de rueda se incluye considerando un ficticio par planar entrela rueda y la superficie. Este innecesario y ad-hoc procedimiento

    contrasta con la sistemtica empleada de matrices de transformacin. En

    su lugar se deberan utilizar dos sistemas de coordenadas adicionales,

    como se propone en [Shin et al. 01].

    Se asume no deslizamiento innecesariamente pronto, por lo que se

    complica la identificacin del mismo en etapas posteriores.

    [Rajagopalan 97] continua el mtodo de matrices de transformacin de

    [Muir et al. 89] y lo extiende a un nuevo tipo de rueda, con la columna de

    direccin inclinada y desplazada.

    Otros estudios cinemticos relevantes son [Alexander et al. 89] y [Campion

    et al. 96]. En concreto, [Alexander et al. 89] utiliza un planteamiento vectorial

    para modelar la rueda, slo valido para ruedas fijas y orientables (centradas).Mientras que [Campion et al. 96] no justifica las relaciones cinemticas de rueda

    utilizadas, que son la clave para la clasificacin y caracterizacin posterior.

    Otro interesante estudio es [Kim et al. 04], donde la cinemtica de rueda se

    obtiene por procedimientos vectoriales. La ecuacin de rueda explicita las

    velocidades de deslizamiento en las dos direcciones, que son ocasionalmente

    utilizadas para conseguir una matriz Jacobiana cuadrada (aadiendo ecuaciones

    escalares triviales). Esta modificacin facilita pasar de modelos directos a

    inversos y viceversa. No obstante, estas ecuaciones triviales deberan ser

    eliminadas en una etapa posterior para evitar innecesario coste computacional.

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    Captulo 3. Relaciones cinemticas 41

    Adems, se realiza un estudio previo de movilidad basado en la frmula de

    Grbler, clsica en sistemas mecnicos.

    Finalmente, [Ollero 01] [Leow et al. 02] [Low et al. 05] son ejemplos de

    estudios donde se deducen de forma no sistemtica frmulas y relaciones

    cinemticas, vlidas slo para casos particulares.

    As pues, el objetivo de este captulo es obtener de forma sistemtica y

    completa dichas relaciones cinemticas. Para ello se empiezan estableciendo los

    supuestos considerados. Posteriormente, se obtienen las relaciones cinemticas

    de rueda una formulacin cinemtica recursiva, descrita en [Fu et al. 88]. Dichas

    relaciones se particularizan para los distintos tipos de rueda. A continuacin se

    plantea la ecuacin cinemtica completa del vehculo. Y por ltimo se destacan

    los resultados ms relevantes del captulo.

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    42 Captulo 3. Relaciones cinemticas

    3.2 SUPUESTOS CONSIDERADOS

    Se van a considerar los siguientes supuestos prcticos para el estudio:

    Supuestos de diseo:

    1) Los vehculos no poseen en su estructura partes flexibles, es decir: toda la

    estructura es rgida.

    2) Por cada rueda puede haber una o ninguna articulacin de direccin.

    3) Todos los ejes de direccin existentes son perpendiculares a la superficie

    por la que se desplaza el vehculo.

    4) Las ruedas pueden estar directamente en contacto con el suelo o a travs

    de unos rodillos.

    Supuesto operacional: La superficie de desplazamiento (suelo) es plana.

    El primer supuesto de diseo permite aplicar la formulacin de slido rgido,mientras que los otros tres limitan los tipos de rueda a los que va dirigido esta

    metodologa. En particular, los tipos de rueda que se consideran son:

    Rueda fija: No posee articulacin de direccin, por lo que su posicinrespecto a la estructura es fija.

    Rueda orientable centrada (orientable): Tiene articulacin de direccin, esdecir es orientables respecto a la estructura del vehculo, pasando su eje de

    direccin por el centro de rotacin de la rueda.

    Rueda orientable descentrada (castor): Posee articulacin de direccin, esdecir es orientable respecto a la estructura del vehculo, no pasando su eje de

    direccin por el centro de rotacin de la rueda.

    Ruedafija con rodillos (sueca, universal,Mecanum Ilon): Es fija respecto ala estructura del vehculo y posee rodillos entre la rueda y el suelo con una

    determinada orientacin fija respecto a la rueda.

    En la Figura 3.1 se muestra este tipo de rueda con rodillos con la clsica

    orientacin de 45. Otra orientacin tpica es 90.

    En ocasiones se utilizan dos hileras de rodillos para garantizar una mejor

    continuidad del punto de contacto con el suelo. No obstante, esto ltimo

    aade una complicacin para el control y la odometra, ya que el punto de

    contacto con el suelo se mueve de la hilera interior a la exterior. No obstante,

    si la distancia entre los rodillos es pequea en comparacin con lasdimensiones de la rueda y del vehculo dicho problema resulta menor.

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    Captulo 3. Relaciones cinemticas 43

    Los tipos de rueda fija, orientable y castor se engloban dentro del tipoconvencional, y tambin el tipo castory sueca dentro del omnidireccional. Comose indica en el captulo posterior, las ruedas omnidireccionales no restringen elmovimiento del vehculo mientras que las otras s.

    Foto de rueda real Representacin 3D

    Figura 3.1- Rueda sueca (tambin llamadaMecanum Ilon) con rodillos a 45

    Existen otro tipo de ruedas menos habituales (especiales) que se analizan en

    el punto 3.5 del captulo. En concreto se presentan las ruedas doble y castordoble, que pueden modelarse como dos ruedas castor con mismo eje de rotaciny ngulo de direccin, y las ruedas tipo bola y ortogonal, que pertenecen al grupode omnidireccionales y que funcionalmente son equivalentes a las ruedas suecas.

    Tambin se han planteado variantes en los mecanismos de direccin: en

    [Rajagopalan 97] se considera una columna de direccin con cierta inclinacin y

    descentrada respecto a la rueda (no contempla el supuesto de diseo tercero).

    Por otra parte, el supuesto operacional restringe el campo de aplicaciones

    prcticas. Cabe destacar que [Muir et al. 89] asume adems el de no-

    deslizamiento, no considerado aqu por ser innecesario en una primera instancia.

    De hecho el mtodo de modelado planteado permite modelar ruedas con

    deslizamiento.

    A pesar de que pueda parecer que los supuestos establecidos limitan en

    exceso la validez de los resultados, se cumplen en la mayora de aplicaciones

    prcticas con vehculos autoguiados y por tanto sern validos.

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    44 Captulo 3. Relaciones cinemticas

    3.3 RELACIONES CINEMTICAS

    En este apartado se van a obtener mediante un mtodo sistemtico las relaciones

    cinemticas a que da lugar una rueda como parte de un vehculo.

    El nico mtodo sistemtico que hay en la bibliografa al respecto es [Muir

    et al. 89] que emplea, como se ha comentado en la introduccin, las matrices de

    transformacin homognea. No obstante, para emplear este mtodo con la Figura

    3.2 habra que definir un total de 11 sistemas de coordenadas (por el mtodo de

    asignacin de Sheth Uicker[Sheth et al. 71]), dando lugar a idntico nmero dematrices de transformacin entre sistemas adyacentes. De forma que, la

    aparatosidad de las matrices y sus productos, hasta llegar a la relacin cinemtica

    final de rueda genrica, es enorme. De hecho, es bien conocido en aplicaciones

    de tiempo real de robtica, el elevado coste computacional de utilizar matrices

    de transformacin. Resultando este mtodo poco adecuado (poco manejable) para

    indicar todo el proceso.

    As pues, se va a utilizar como alternativa una recursividad cinemtica,

    desarrollada originalmente como parte de la formulacin dinmica de Newton-Euler, para obtener las relaciones cinemticas de una forma mucho ms sencilla.

    3.3.1 Sistemas de coordenadas

    La asignacin de los sistemas de coordenadas del vehculo es clave para la

    posterior formulacin. Por tanto, merece la pena hacer una asignacin de

    sistemas conveniente para que la formulacin sea lo ms sencilla posible.

    Para los robots manipuladores (cadenas cinemticas abiertas) se utiliza elmtodo de asignacin de coordenadas de Denavit Hartenberg [Denavit et al.55]. Pero en el caso de vehculos autoguiados, al existir mltiples cadenas

    cinemticas cerradas, se produce una ambigedad a la hora de elegir el orden de

    las articulaciones. Para evitar este problema en [Muir et al. 89] se utiliza, como

    se ha comentado, el mtodo de asignacin Sheth Uicker[Sheth et al. 71].

    En nuestro caso, la eleccin de sistemas de coordenadas se indica en la

    Tabla 3.1 para un vehculo genrico de N ruedas. Dicha eleccin consiste en

    asignar un sistema de coordenadas por eslabn mvil (R, Si, Li, Mi), uno

    estacionario coincidente con el de la estructura robot ( R ) y otros en el punto de

    contacto entre los rodillos y el suelo (Ei), con sus instantneamente coincidentes

    asociados ( Ei ). El sistema instantneamente coincidente R permite evitar ladependencia con un sistema de coordenadas estacionario global (el concepto de

    coincidencia instantnea se explica en el punto 3.A1).

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    Captulo 3. Relaciones cinemticas 45

    Tabla 3.1- Asignacin de sistemas de coordenadas utilizada

    Nombre Descripcin

    R (Robot)Sistema de coordenadas solidario al vehculo, con el eje Z

    ortogonal a la superficie de desplazamiento

    Si(Sistema direccin)para i = 1..N

    Sistema de coordenadas que se mueve con la articulacin de

    direccin i, con el ejeZcoincidente con el eje de articulacin dela direccin i y el eje Yen la direccin del brazo de direccin

    Li (Rueda)

    para i = 1..NSistema que se mueve con la rueda i, con origen en el centro dela rueda y el ejeXen la direccin del eje de rotacin de la rueda

    Mi (Rodillo)para i = 1..N

    Sistema de coordenadas que se mueve con el rodillo (encontacto con el suelo) de la rueda i, con origen en el centro delrodillo y el ejeXen la direccin del eje de rotacin del rodillo

    Ei (Punto de contacto

    del rodillo con suelo)

    para i = 1..N

    Sistema de coordenadas que se mueve con el rodillo (en

    contacto con el suelo) de la rueda i, con origen en dicho puntode contacto, el ejeXcon la misma direccin y sentido que el deMi y el ejeZperpendicular a la superficie de desplazamiento

    R (Coincidenciainstantnea del Robot)

    Sistema de coordenadas coincidente con el sistema decoordenadas Ry estacionario respecto la superficie

    E i (Coincidencia

    instantnea Ei)

    Sistema de coordenadas coincidente con el sistema Ei y

    estacionario respecto a la superficie

    G (Global) Sistemas de coordenadas global estacionario

    En la Figura 3.1 se indica la representacin grfica de estos sistemas de

    coordenadas para un vehculo con rueda genrica i. Los eslabones mviles son: laestructura del robot, el brazo de direccin, la rueda y los rodillos. Las

    articulaciones entre los eslabones mviles son pares de revolucin (tres).

    Rz, Rz

    Rx, Rx

    Ry, Ry

    Szi

    Sxi Syi

    Lzi

    LxiLyi

    Mzi

    Mxi,Exi Lxi

    Myi,Eyi

    Figura 3.2- Sistemas de coordenadas utilizados en el vehculo

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    46 Captulo 3. Relaciones cinemticas

    3.3.2 Obtencin de la velocidad de deslizamiento de rueda

    Las ecuaciones recursivas (cinemticas de velocidad) descritas en [Fu et al. 88]:

    ( )* *

    * *1 1 1

    ii i i i i i iddt

    = + + = +pv p v (3.1)

    donde el significado de cada trmino es (ver Figura 3.3):

    dt

    d*Derivada respecto al sistema de coordenadas i-1

    *

    i Velocidad angular del sistema de coordenadas i respecto al i-1 encoordenadas del sistema 0

    i Velocidad angular del sistema de coordenadas i respecto al 0*ip Vector del origen del sistema i-1 al de i en coordenadas del sistema 0

    iv Velocidad del origen del sistema de coordenadas i respecto al del 0 encoordenadas del sistema 0

    0Z

    0Y

    0X

    -1iZ

    -1iY-1iX

    iZ

    iY

    iX1i

    p

    ip

    *

    ip

    *

    1i i i =p p p

    i

    i

    d

    dt=

    pv

    Figura 3.3- Sistemas y variables de la formulacin cinemtica recursiva

    Los sistemas de coordenadas de la Tabla 3.1 numerados son: {0 R , 1R ,2Si , 3 Li , 4 Mi , 5Ei }. Al trabajar con sistemas de coordenadas entre slidos

    rgidos, el vector *ip es siempre constante. Por tanto:

    0

    **

    =dt

    d ip (3.2)

    Aplicando recursivamente (3.1) y utilizando la notacin de la Tabla 3.2:

    RR

    1 R1 R

    R R RR R

    2 R R S2 R S

    R R R R R,SR R R,S

    3 R R L S L3 R S L

    R R R R R,S R,S R,LR R R,S R,L

    4 R R M S M L M4 R S L M

    R R R R R,S R,S R,L

    5 R R E S E L

    i i

    i ii i i i i

    i i i i ii i i i i i i i

    i ii i i i

    = =

    = + = +

    = + + = + +

    = + + + = + + +

    = + + +

    v v

    v v d

    v v d d

    v v d d d

    v v d d

    R,L R,M

    E M E

    R R R,S R,L R,M

    5 R S L M E

    i i ii i i

    i i ii i i i

    +

    = + + + +

    d d

    (3.3)

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    Captulo 3. Relaciones cinemticas 47

    siendo 5v la velocidad de deslizamientoR

    Eiv entre el rodillo y la superficie

    respecto al sistema de coordenadas R .

    Tabla 3.2- Nomenclatura de variables y parmetros

    Nombre Descripcin

    H,A

    Bd Vector que va del origen del sistema A al origen del sistema B en

    coordenadas del sistema H

    A

    B

    Desplazamiento de rotacin entre el eje X del sistema B y el eje X delsistema A respecto al ejeZde A (segn la regla de Maxwell)

    H,A

    Bv Velocidad lineal del origen del sistema B respecto al de A en coordenadas

    del sistema HH,A

    B Velocidad angular del sistema B respecto alA encoordenadas del sistema H

    Si H no se explicita, A toma su lugar.

    Teniendo en cuenta los sistemas de coordenadas y articulaciones de laFigura 3.2, dicha velocidad resulta:

    ( )( )

    ( )( )

    R RR

    L r EiE

    R R R,S R R

    E E E L r Ei

    cos cos0 0 0 0

    0 0 sin 0 sin 0

    r r0 00 0

    i i iix xi

    iy y i i i i i

    i ii

    v vv v

    = + + + +

    d d

    (3.4)

    con el siguiente significado de las nuevas variables y constantes:

    - T R R R TR R R( ) ( )x y x yv v v v = p vector de velocidad del vehculo respecto al

    sistema instantneamente coincidente R ;

    - i velocidad angular del brazo de direccin respecto a la plataforma;

    - ( , )i i velocidad de rotacin de la rueda y del rodillo respecto a Lxi y Mxi;-

    r(r , r )i i radio equivalente de la rueda y del rodillo.

    De modo que, de (3.4) cada rueda introduce dos ecuaciones escalares:

    ( ) ( )

    ( ) ( )

    R R,S R R

    E E L r EiR

    E R R,S R R

    E E L r Ei

    r

    1 0 r sin r sin

    0 1 r cos r cos

    iiy iy i i i i

    i iix ix i i i i

    i

    d d

    d d

    =

    p

    v

    (3.5)

    donde la componente Z de velocidad se ha obviado y el subndice x/y en los

    vectores de distancia indica la componente correspondiente.

  • 8/7/2019 tesisUPV2519

    52/306

    48 Captulo 3. Relaciones cinemticas

    La velocidad de deslizamiento R Eiv de (3.5) se puede expresar tambin respecto

    a la direccin de los rodillos E E slipi

    i iv v aplicando una rotacin deR

    Ei :

    ( )

    ( )( )( )

    E R R

    E E E

    E E L

    R S ER

    slip E E E L

    R S E r

    r

    d r sin 0

    d r cos r

    ii i i

    i i iy iy i i i

    i i i i iix ix i i i

    i

    d

    d

    =

    =

    v Rot vp

    v Rot

    (3.6)

    donde Rot(x) es una matriz de rotacin en dos dimensiones:

    ( )( ) ( )

    ( ) ( )

    cos sin

    sin cos

    x xx

    x x

    =

    Rot (3.7)

    con las propiedades ( ) ( ) ( )1 T .x x x = = Rot Rot Rot

    Se utilizar la siguiente notacin (representada en la Figura 3.4):

    ( ) ( )R R SS S ER S L

    Si Li Ei

    d l cos d l sin d d

    .

    iix i i iy i i iy i

    i ii i i

    = = =

    = = =(3.8)

    i

    li d

    i i

    i

    i

    Figura 3.4- Vista de planta con variables y parmetros definidos en (3.8)

    Esta notacin se ha tomado de [Campion et al. 96], aunque la sustitucin

    exacta para (3.8) sera: { R Si i i+ para ruedasfijas, orientables y suecas y

    i i+ + para ruedas castor}; {L

    Eii 2i }; {

    S

    Lii 0}.

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    53/306

    Captulo 3. Relaciones cinemticas 49

    Tambin, en lo que sigue se utilizar la forma compacta:

    cos( ) c , sin( ) sx x x x (3.9)

    Las componentes de distancia de (3.6) con la notacin de (3.8) resultan:

    ( ) ( )

    ( ) ( )

    ( ) ( )

    E

    R

    E

    R

    E E

    S S

    l sin d cos

    l cos d sin

    d d cos d d sin

    iy i i i i i i i i

    ix i i i i i i i i

    i iiy i i i ix i i i

    d

    d

    = + + +

    = + + +

    = + = +

    (3.10)

    3.3.3 Particularizacin de la ecuacin de rueda

    A continuacin se particularizar (3.6) para cada tipo de rueda:

    a) Rueda fija y orientable: Son nulos los parmetros {rri, di, , i i } (ruedaalineada con el eje Siy), y i es constante y variable respectivamente::

    ( )

    ( )slip

    c s l s 0

    s c l c r

    i i i i ii

    ii i i i i i

    =

    pv

    (3.11)

    En la expresin anterior, para el caso de rueda orientable, la velocidad dedireccionamiento afecta a la cinemtica de rueda a travs del ngulo pero node forma instantnea.

    b) Rueda castor: Son nulos los parmetros {rri, i } , resultando:

    ( ) ( ) ( )

    ( ) ( ) ( )slip

    c s l s d c d c 0

    s c l c d s d s r

    i i i i i i i i i i i ii i

    i i i i i i i i i i i i ii

    + + +

    = + + + +

    p

    v

    (3.12)

    Notar que la expresin anterior describe una rueda castor completamentegenrica debido al ngulo i , considerado nulo en otros estudios.

    c) Rueda sueca: Son nulos los parmetros {di, }i (rueda alineada con el eje

    Siy) y el ngulo de direccin i es constante, resultando:

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    50 Captulo 3. Relaciones cinemticas

    ( ) ( ) ( )

    ( ) ( ) ( )slip

    r

    c s l s r s 0

    s c l c r c r

    i i i i i i i i i ii i

    i i i i i i i i i i ii

    + + +

    = + + +

    p

    v

    (3.13)

    En la expresin anterior, bajo el supuesto de que la fuerza de friccin essiempre suficiente para suministrar la aceleracin requerida, la (libre)

    rotacin del rodillo garantiza no deslizamiento en la direccin de Eiy. Sinembargo, dado que en la prctica dicha variable no es accesible (ni para

    sensorizar ni para actuar), slo la primera componente EE

    iixv tiene utilidad

    prctica:

    ( ) ( ) ( )( )slip c s l s r s ix i i i i i i i i i ii

    v

    = + + +

    p

    (3.14)

    Para referir el vector de velocidad del vehculo respecto a un sistema de

    coordenadas global fijo G se premultiplica por una matriz de rotacin:

    ( )( )

    GG R GR

    R

    0

    0 ,

    0 0 1Z

    = =

    Rotp p Rot p (3.15)

    donde Rotz(x) es una rotacin 3D en el ejeZde valorx y Rot(x) ya se ha definidoen(3.7).

    3.3.4 Matriz Jacobiana de rueda

    En este apartado se obtiene la relacin entre el vector de velocidad del vehculo

    p , respecto al sistema de coordenadas instantneamente coincidente R , y elvector de velocidad de rueda para deslizamiento nulo. A dicha relacin se ledenomina matriz Jacobiana de rueda.

    Despejando la velocidad lineal del vehculo en (3.6), aplicando una rotacin

    en 2D de REi y anulando la velocidad de deslizamiento, se obtiene:

    ( )

    ( )

    R

    R r E

    R R

    r E r

    d c r s r s l s d c

    d s r c r c l c d s

    i

    x i i i i i i i i i i i i

    y i i i i i i i i i i i i

    v

    v

    + + = = + +

    v

    (3.16)

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    Captulo 3. Relaciones cinemticas 51

    La expresin anterior relaciona la velocidad lineal del vehculo R Rv con las

    velocidades de rueda , , }i i i { y la velocidad de rotacin del vehculo .

    Alternativamente, se puede mantener en (3.16) un tercer elemento identidadpara tener en el miembro de la izquierda el vector de velocidad del vehculo:

    ( )

    ( )

    R

    r E

    R

    r E

    r

    d c r s r s l s d c

    d s r c r c l c d s

    0 0 0 1

    ii i i i i i i i i i i

    ii i i i i i i i i i i

    i

    + +

    = + +

    p

    (3.17)

    Esto ltimo permite mantener una homogeneidad que da lugar a un posterioranlisis a travs de matrices o pseudo matrices Jacobianas de ruedas:

    wi i= p J q (3.18)

    dondewiq es el vector de velocidad de rueda, que en este caso incluye adems la

    velocidad angular del vehculo, y J la matriz Jacobiana de rueda.

    En concreto, segn el tipo de rueda considerada en (3.17) se tienen las

    siguientes pseudo matrices Jacobianas y vectores de velocidades de rueda:

    f/o wf/o

    r

    s r ws r

    c

    r s l s

    r c l c =

    0 1

    r s r s( ) l s

    r c r c( ) l c =

    0 0 1

    d c r s( ) l s d

    i i i ii

    i i i i i i

    i i i i i i i i

    i i i i i i i i i i

    i i i i i i i i

    i

    =

    +

    = +

    + +

    =

    J q

    J q

    J

    wc

    c

    d s r c( ) l c d s =

    0 0 1

    i i

    i i i i i i i i i i i

    + +

    q

    (3.19)

    donde el subndice {f, o, c, s} es para rueda {fija, orientable, castor, sueca}.

    Todas las matrices Jacobianas anteriores siempre (pseudo) invertibles.

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    56/306

    52 Captulo 3. Relaciones cinemticas

    3.4 ECUACIN COMPUESTA

    Una vez calculadas las relaciones cinemticas entre el vector de velocidad delvehculo y el de cada rueda en sus distintas formas {(3.5), (3.6), (3.19), ...}, cabecombinar todas ellas en una sola ecuacin compuesta. Esto tiene gran relevanciapara el tipo de anlisis que posteriormente se podr aplicar a dicha ecuacin.

    A continuacin se detallan las dos formas de ecuacin compuesta que sonconsideradas en este estudio de mayor utilidad.

    La primera ecuacin compuesta que se plantea es la obtenida juntando lasmatrices Jacobianas de rueda de (3.19):

    1 w1

    w2

    w

    N wN

    0 0

    0

    0

    0 0

    = =

    2

    J q

    J qp p J q

    J q

    (3.20)

    siendo la matriz identidad de dimensin 3 y wq el vector de todas lasvelocidades de ruedas.

    La ecuacin compuesta anterior constituye un sistema de 3N ecuaciones.

    El segundo tipo de ecuacin compuesta consiste en agrupar las velocidadesde deslizamiento de (3.6):

    ( )

    ( )

    ( )

    ( )

    E E L

    R S ER

    slip E E E L

    R S E r

    r

    slip p w

    w w

    d r sin 0

    d r cos r

    i i iy iy i i i

    i i i i iix ix i i i

    i

    i i i ii i

    d

    d

    =

    = =

    p

    v Rot

    p pv A A A

    q q

    (3.21)

    ( )

    slip 1

    p1 w1

    w1

    slip 2slip

    pN wN

    wN

    slip N

    slip p w

    w w

    0

    0

    = =

    = = =

    vp

    A Aq

    vv

    A Aq

    v

    p pv A A A A qq q

    (3.22)

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    Captulo 3. Relaciones cinemticas 53

    donde vslip es el vector de todas las velocidades de deslizamiento, A es la matrizcompuesta del vehculo y q el vector de todas las velocidades.

    En caso de deslizamiento nulo se obtiene: =A q 0 (3.23)

    La expresin anterior permite un anlisis a travs del concepto de espacionulo, tal y como se aborda en el siguiente captulo.

    Tambin puede plantearse con (3.23) qu variables pueden funcionar comoincgnitas y cules pasar al otro miembro para que exista solucin nica, lo queimplica un anlisis de rangos de matrices y submatrices. Esto se aborda tambinen el captulo siguiente.

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    54 Captulo 3. Relaciones cinemticas

    3.5 RUEDAS ESPECIALES

    3.5.1 Ruedadoble y ruedacastor doble

    La rueda doble [Leow et al. 00] est formada por dos ruedas descentradassimtricas, con el plano definido por ambas perpendicular al brazo de direccin,ver Figura 3.5 (a). Mientras que la rueda castor doble [Wada et al. 00] tiene ladisposicin equivalente de un vehculo remolque, ver Figura 3.5 (b). En cualquier

    caso, ambos tipos de rueda se pueden incluir en el proceso de modelado yanlisis de los captulos siguientes considerndolas como dos ruedas castorconeje de rotacin Lxi y ngulo de direccin i comn.

    A pesar de la equivalencia cinemtica entre ruedas dobles y simples, mostrada enlos siguientes subapartados, las ruedas dobles tienen las siguientes ventajas:

    Las ruedas orientables y castorrequieren, al reorientar, superar (cuandola rotacin de rueda est bloqueada) un par de friccin seca. Mientras

    que las ruedas doblesnicamente deben superar la friccin por rodadura.

    La capacidad de carga de las ruedas dobles es el doble que la de unaorientable/castor, bajo el supuesto de ruedas y actuadores idnticos.

    Los dos actuadores de las ruedas dobles pueden ser idnticos (menoscoste), mientras que las ruedas orientables y castor requierennormalmente dos actuadores de caractersticas distintas, ya que con unose hace un control de posicin (orientacin de la direccin) y con el otro

    de velocidad (rotacin de la rueda).

    El principal inconveniente que presentan las ruedas dobles es que tienen mselementos y son ms grandes, para un mismo tamao de rueda.

    (a)Doble (b) Castor dobleFigura 3.5- Rueda doble y rueda castor doble

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    Captulo 3. Relaciones cinemticas 55

    Six

    Siy

    3.5.1.A) Equivalencia entre la rueda doble y la orientable (centrada)

    En la figura siguiente se aprecia la disposicin de ambas opciones.

    a) Rueda doble b) Rueda orientableFigura 3.6- Equivalencia entre la rueda doble y la orientable (centrada)

    Utilizando la Figura 3.6, existen las siguientes relaciones:

    1 2 1 2 1 2

    1 2

    90

    d 0 d d d

    i i i i i i i i i

    i i i

    = = = = = = =

    = = = (3.24)

    A continuacin se particulariza (3.12), con deslizamiento nulo, para cadauna de las ruedas:

    ( )

    ( )

    s c l c 0

    c s l s r

    i i i i i

    ii i i i i i

    =

    p0

    (3.25)

    ( )

    ( ) 11

    s c l c 0 0

    c s l s d d r

    i i i i i

    ii i i i i i

    i

    = +

    p

    0

    (3.26)

    ( )

    ( ) 22

    s c l c 0 0

    c s l s d d r

    i i i i ii

    i i i i i ii

    =

    p

    0

    (3.27)

    Notar que la primera ecuacin de las tres expresiones anteriores coincide.

    La semisuma de la segunda ecuacin de (3.26) y (3.27) es igual a la segundaecuacin de (3.25) a travs de la relacin entre variables:

    ( )1 1 2 2r r r 2i i i i i i = + (3.28)

    Ry

    Rx

    li

    Lix

    i

    1i

    Ry

    Rx

    liSix

    Siy

    L1ix

    2i

    L2ix

    d

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    56 Captulo 3. Relaciones cinemticas

    La semiresta de las segundas ecuaciones de (3.26) y (3.27) da lugar a:

    ( ) ( )2 2 1 1r r 2 di i i i i = (3.29)

    La expresin anterior relaciona velocidades angulares, integrndola seobtiene la relacin entre ngulos:

    ( ) ( )2 2 1 1r r 2 d ConstanteR

    i i i i i R = + (3.30)

    Apuntar que, la orientacin del brazo de direccin en trminos absolutosslo depende de la rotacin de las ruedas. Sin embargo, en trminos relativos (ya

    que se mide respecto a la plataforma del vehculo) depende tambin de laevolucin de la orientacin del vehculo, como evidencia la anterior expresin.

    Recapitulando, la rueda doble da lugar a 3 ecuaciones independientes: dos

    de ellas equivalentes (una de ellas exacta) a las aportadas por la rueda orientablecentrada; mientras que la tercera establece la relacin entre la orientacin delbrazo de direccin, la orientacin del vehculo y la rotacin de las dos ruedas.

    En otras palabras, la rueda doble funciona como una orientable que seorienta por la diferencia en la rotacin de las dos ruedas que la componen.

    3.5.1.B) Equivalencia entre rueda castor doble remolque y la castor

    En la figura siguiente se aprecia la disposicin de una rueda castor doble.

    a) Rueda castor doble b) Rueda castorFigura 3.7- Equivalencia entre la rueda castor doble y la castor

    En primer lugar, notar en la Figura 3.7 a) que la disposicin de la rueda

    castor doble es exactamente igual que la que tiene un vehculo remolque, por loque son el mismo tipo de elemento cinemtico a considerar.

    Ry

    Rx

    a

    S2iy

    L2ix

    L1ix

    2i

    1i S1iy

    b

    Ry

    Rx

    liSix

    SiyLix

    i

    a

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    Captulo 3. Relaciones cinemticas 57

    Utilizando la Figura 3.7, existen las siguientes relaciones:

    ( )

    1 2 1 1 2 2 1 2

    2 2

    1 2 1 2

    + 0

    d a d d a b = arctan b a

    i i i i i i i i i i i i

    i i i i i

    = = = + = = = =

    = = = + =

    (3.31)

    A continuacin se particulariza (3.12), con deslizamiento nulo, para cadauna de las ruedas:

    ( )

    ( )

    c s l s a a 0

    s c l c 0 r

    i i i i ii

    i i i i i ii

    =

    p

    0

    (3.32)

    ( )

    ( ) 11

    c s l s a a 0

    s c l c b b r

    i i i i ii

    i i i i i ii

    = +

    p

    0

    (3.33)

    ( )( ) 2

    2

    c s l s a a 0

    s c l c b b r

    i i i i ii

    i i i i i ii

    =

    p

    0

    (3.34)

    Notar que la primera ecuacin de las tres expresiones anteriores coincide.

    La semisuma de la segunda ecuacin de (3.33) y (3.34) es igual a la segundaecuacin de (3.32) a travs de la relacin entre variables: