ARQUITECTURA DE CONTROL, PLANIFICACIÓN Y SIMULACIÓN

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  • UNIVERSIDAD POLITCNICA DE MADRID ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES

    ARQUITECTURA DE CONTROL, PLANIFICACIN Y SIMULACIN PARA

    TELEPROGRAMACIN DE ROBOTS

    TESIS DOCTORAL

    Miguel Hernando Gutirrez Ingeniero Industrial

    2002

  • UNIVERSIDAD POLITCNICA DE MADRID ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES

    ARQUITECTURA DE CONTROL, PLANIFICACIN Y SIMULACIN PARA

    TELEPROGRAMACIN DE ROBOTS

    TESIS DOCTORAL

    Miguel Hernando Gutirrez Ingeniero Industrial

    2002

  • DEPARTAMENTO DE AUTOMTICA, INGNIERIA ELECTRNICA E INFORMTICA INDUSTRIAL

    ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES

    ARQUITECTURA DE CONTROL, PLANIFICACIN Y SIMULACIN PARA

    TELEPROGRAMACIN DE ROBOTS

    TESIS DOCTORAL

    Autor: Miguel Hernando Gutirrez Ingeniero Industrial

    Director: Ernesto Gambao Galn Doctor Ingeniero Industrial

    2002

  • UNIVERSIDAD POLITCNICA DE MADRID

    (D-15)

    Tribunal nombrado por el Magfco. y Excmo. Sr. Rector de la Universidad Politcnica de Madrid, el da de de 200....

    Presidente:

    Vocal:

    Vocal:

    Vocal:

    Secretario:,

    Suplente:_

    Suplente:_

    Realizado el acto de defensa y lectura de la Tesis el da de de 200. en la E.T.S.I. /Facultad

    EL PRESIDENTE LOS VOCALES

    EL SECRETARIO

  • Contenido

    CONTENIDO

    Captulo 1. INTRODUCCIN 1 1.1 Motivacin y marco de la Tesis 1 1.2 Tema e importancia de la Tesis 3 1.3 Objetivos de la Tesis 5 1.4 Estructura de la Tesis 6

    Captulo 2. TELEOPERACIN Y TELEPROGRAMACIN. 9 2.1 Evolucin de la Teleoperacin 9

    2.1.1 Sector espacial. 12 2.1.2 Sector submarino 14

    2.2 Elementos de un sistema teleoperado 16 2.2.1 La zona local 16 2.2.2 La zona remota 19

    2.3 Caractersticas de los sistemas de teleoperacin 20 2.3.1 Teleoperacin y Robtica 20 2.3.2 Telepresencia en Teleoperacin 23 2.3.3 Realimentacin de Fuerza en Teleoperacin 23 2.3.4 El Problema del Retardo en las Comunicaciones 24

    2.4 Soluciones propuestas al problema del Retardo Temporal 26 2.4.1 Simulador predictivo. 27 2.4.2 Mtodos propuestos 29

    2.5 Teleprogramacin y Control Supervisado 37 2.6 Conclusiones 52

    Captulo 3. ARQUITECTURA DE TELEPROGRAMACIN. 53 3.1 Introduccin 53 3.2Requisitos del diseo de la arquitectura 56

    3.2.1 Entornos semiestructurados. 56 3.2.2 Objetos imprevistos 57 3.2.3 Alta capacidad reactiva 58 3.2.4 Arquitectura de control modular 58 3.2.5 Arquitectura jerrquica 58 3.2.6 Percepcin independiente 59 3.2.7 Arquitectura genrica respecto de los dispositivos 59

    3.3 Arquitectura general 59 3.3.1 Elementos de la zona Local 65

    Miguel Hernando Gutirrez

  • Arquitectura de Control, Planificacin y Simulacin para Teleprogramacin de Robots

    3.3.2 Elementos de la zona Remota 73 3.4 Arquitectura de control de la tarea 76

    3.4.1 Estructura jerrquica en el conocimiento y en el control 77 3.4.2 Capa reactiva 85 3.4.3 Capaplanificadora 88 3.4.4 Capa de la tarea 91 3.4.5 Capa de aprendizaje 93

    3.5 Conclusiones 93

    Captulo 4. SIMULACIN: LAS LIBRERAS SMR. 95 4.1Introduccin. 95 4.2 Descripcin general del sistema SMR. 96

    4.2.1 Caractersticas generales. 97 4.2.2 Caractersticas de la simulacin. 98

    4.3 Modelado del entorno. 101 4.3.1 Estructura de datos. 101 4.3.2 Estructura de clases. 103

    4.4 Modelo geomtrico. 104 4.4.1 Mdulos. 104 4.4.2 Sistemas slidos y Formas. 105 4.4.3 Ejes. 109 4.4.4 TCP 111 4.4.5 Cmaras y luces. 112

    4.5 Modelo cinemtico 115 4.5.1 La lista de entes dependientes. 119 4.5.2 Los mecanismos. 120 4.5.3 Cinemtica inversa 123

    4.6 Modelo grfico: La visualizacin 123 4.6.1 OpenGLySMRgraf. 123 4.6.2 El ActiveX CamaraX. 126

    4.7 Aplicaciones del sistema SMR. 128 4.7.1 Simulador SMR 128 4.7.2 Simulacin dinmica de un helicptero de Radio-control 129 4.7.3 Simulador del Puma 560 129 4.7.4 Proyectos diversos. 130

    4.8 Conclusiones 130

    Captulo 5. DETECCIN DE COLISIONES Y CLCULO DE DISTANCIAS 133 5.1 Deteccin de colisiones 133

    5. /. / Algoritmos de generacin de objetos envolventes 136 5.1.2 Algoritmos de deteccin de colisiones 141

    5.2 Algoritmos de clculo de distancia y cercana 150 5.2.1 Algoritmos de distancia a un punto 151

    Tesis Doctoral - E.T.S.L Industriales - Universidad Politcnica de Madrid

  • Contenido 5.2.2 Algoritmos de distancia a un segmento 153 5.2.3 Algoritmos de distancia entre objetos 156

    5.3 Conclusiones 160

    Captulo 6. PLANIFICACIN DE TRAYECTORIAS. 163 6.1 Introduccin 163 6.2 Planificadores prcticos. 167 6.3 El planificador Gentico 175

    6.3.1 Descripcin genrica del algoritmo 177 6.3.2 Anlisis de Visibilidad 180

    6.4 El Algoritmo Gentico 184 6.5 Codificacin 186 6.6 Evaluacin 188 6.7Inicializacin 190 6.8 Operadores Genticos 190

    6.8.1 El operador de emparejamiento 191 6.8.2 Operador de insercin 193 6.8.3 El operador mutacin 194 6.8.4 Operador de mutacin refleja 195 6.8.5 Operador de eliminacin 197 6.8.6 Operador de filtrado 197

    6.9 Ajuste de probabilidades de los operadores genticos 198 6.10 Experimentos 206 6.11 Conclusiones 212

    Captulo 7. NIVEL REACTIVO 215 7.1 Introduccin 215 7.2 Conducta de seguimiento absoluto 216

    7.2.1 Descripcin general 216 7.2.2 Analizador 217 7.2.3 Seguidor 217

    7.3 Conducta de seguimiento relativo 219 7.3.1 Descripcin general 219 7.3.2 Analizador 220 7.3.3 Seguidor 226

    7.4 Conducta de seguimiento del contacto 232 7.4.1 Descripcin general 232 7.4.2 Generacin de las juerzas virtuales de contacto. 232 7.4.3 Control de fuerza en el manipulador 241

    7.5 Conducta de evitacin de colisiones 243 7.5.1 Descripcin general 243 7.5.2 Analizador 244

    Miguel Hernando Gutirrez i

  • Arquitectura de Control, Planificacin y Simulacin para Teleprogramacin de Robots

    7.5.3 Seguidor 246 7.6 La fusin de conductas 249 7.7 Las comunicaciones 251

    7.7. / Mensajes binarios 253 7.7.2 Mensajes de texto 253 7.7.3 Transmisor 253 7.7.4 Intrprete 254

    7.8 Conclusiones 255

    Captulo 8. EXPERIMENTOS 257 S.llntroduccin 257 8.2 Experimentos simulados 258

    8.2.7 Descripcin del programa de simulacin 259 8.2.2 Teleprogramacin de un robot de nueve grados de libertad sobre un

    objeto desplazado. 261 8.2.3 Teleprogramacin de un robot de nueve grados de libertad sobre un

    objeto girado. 262 8.2.4 Desplazamiento de la caja durante la ejecucin de una tarea. 264 8.2.5 Efecto en la teleprogramacin de la conducta de evitacin de colisiones. 265 8.2.6 Efectos observados durante la evolucin de los experimentos 266

    8.3 Experimentos sobre un sistema real 267 8.3.1 Descripcin Hardware 267 8.3.2 Descripcin Software 270 8.3.3 Experimentos de evaluacin de la generacin de fuerzas virtuales. 274 8.3.4 Descripcin del experimento de teleprogramacin real. 2 76

    8.4 Conclusiones 279

    Captulo 9. CONCLUSIONES 281 9.1 Principales aportaciones de la tesis 281 9.2 Aportaciones originales de la tesis 282 9.3 Futuros desarrollos 285

    Captulo 10. BIBLIOGRAFA 287

    Anexo A. CATERNIOS 303

    Anexo B. FORMATO DE LOS FICHEROS SMR 307

    Tesis Doctoral - E.T.S.I. Industriales - Universidad Politcnica de Madrid iv

  • INTRODUCCIN

    1.1 Motivacin y marco de la Tesis

    Los sistemas de teleoperacin han sufrido un fuerte desarrollo en los ltimos treinta aos ante la creciente necesidad de disponer de sistemas prcticos que sean capaces de trabajar en entornos no accesibles para el ser humano y cuyo entorno no es totalmente estructurado. De esta forma, combinando la capacidad de decisin y creatividad del ser humano, con las cualidades que frente a entornos peligrosos o poco accesibles poseen determinados manipuladores robticos, se logran un sistema eficiente capaz de operar en entornos muy variados.

    La aparicin de retardo temporal en las comunicaciones es uno de los problemas ms importantes a los que se enfrenta la teleoperacin actuahnente, especiahnente por sus efectos directos sobre la estabilidad del sistema de teleoperacin. De la teora de control clsico es relativamente sencillo deducir cmo un retraso en un bucle de control es ima causa importante de inestabilidad. Un retardo puro disminuye la fase del sistema en un valor igual al producto entre la frecuencia y la magnitud de dicho retraso. Lgicamente, el incremento de ganancia en estas condiciones provocar que el sistema se vuelva ms rpidamente inestable cuanto mayor es el valor del retraso, por decrecer la fase de forma ms pronunciada. Esta inestabilidad

  • Arquitectura de Control, Planificacin y Simulacin para Teleprogramacin de Robots

    intrnseca se puede dar en aquellos sistemas que tienen una realimentacin sensorial directa al dispositivo de entrada -dispositivo maestro- denominados bilaterales.

    Sin embargo, el retraso en las comunicaciones tiene tambin un efecto directo sobre la actuacin del operador en aquellos sistemas que no son inestables por el hecho de carecer de realimentacin directa. Un sistema de manipulacin con un retardo en las comunicaciones elevado, del orden de segundos, no es manejable por el operador por el hecho de que el hombre necesita conocer el efecto de sus acciones cuando est realizando una tarea. Un ejemplo sencillo de entender que ejemplifica este efecto sera el de conducir un coche en el que la direccin, el volante y el freno responden con un par de segundos de retardo. Probablemente cualquier conductor preferira ir andando antes que montarse en dicho vehculo al darse cuenta de que no es capaz de controlarlo, especialmente en las situaciones que requieren ms pericia o reflejos.

    Desde la aparicin de este problema, se han realizado muchas propuestas con la intencin de resolverlo para problemas especficos en prcticamente todos los campos en los q