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JORNADAS DEJORNADAS DE INGENIERÍA DE CONTROL
Control en red de vehículosControl en red de vehículos autónomos. Primeros resultados
INÉS TEJADO BALSERA BLAS M VINAGRE JARABLAS M. VINAGRE JARA
Valencia, 1-2 de abril de 2009
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ÍNDICE
INTRODUCCIÓN• INTRODUCCIÓN• RED DE COMUNICACIONESRED DE COMUNICACIONES• VEHÍCULOS• VALIDACIÓN Y FUSIÓN SENSORIAL• CONTROLADORES• CONTROLADORES• RESULTADOS DE SIMULACIÓN• CONCLUSIONES• TRABAJO FUTURO
Jornadas de Ingeniería de Control 2009
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INTRODUCCIÓN (I)• Objetivo: guiado de un sistema de vehículos autónomos
( )
(Autonomous Guided Vehicles, AGVs) de manera remota.
SISTEMA DE CONTROL EN RED
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SISTEMA DE CONTROL EN RED(Networked Control System, NCS)
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INTRODUCCIÓN (y II)• Estrategias de control en red para los AGVs.
(y )
Vehículos disponibles en laUniversidad de Extremadura
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RED DE COMUNICACIONES (I)INTRODUCCIÓN
( )
• Rendimiento de un NCS está afectado por los problemas que introduce la red.
• Problemas: retardos en la transmisión de información entre componentes, enlaces no realizados con pérdidas de información, canales con ancho de banda limitado...
• Análisis y modelado de los dos principales: retardos de transmisión y pérdidas de información.D d l d i l ió• Dos modelos de simulación:1. Modelos independientes para retardos y pérdidas.2 M d l ú i l t áfi d l d2. Modelo único para el tráfico de la red con:
• Pérdidas = retardos ∞.• Diferente naturaleza del retardo: distribución normal aleatoria o
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Diferente naturaleza del retardo: distribución normal, aleatoria o multifractal.
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RED DE COMUNICACIONES (II)MODELO 1: RETARDOS DE TRANSMISIÓN
( )
• Producidos por la velocidad limitada de la transmisión y por la estructura del protocolo de comunicación.
· De sensores de la planta al controlador• Dos tipos De sensores de la planta al controlador
· Del controlador a actuadores de la planta
• Pueden ser fijos o variables.Generador de números
l t i t á ialeatorios entre un máximo y mínimo configurables
M d l d NCS
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Modelo de NCS con retardos de transmisión
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RED DE COMUNICACIONES (II)MODELO 1: PÉRDIDAS DE INFORMACIÓN
( )
• Pérdidas de paquetes debidas a enlaces no realizados.
• Tasa de t i ió ( )
· Interruptor cerrado durante r No hay pérdidas
transmisión (r) · Interruptor abierto durante 1 - r Hay pérdidas
1 - rGenerador de números aleatorios entre 0 y 1
Modelo de NCS con pérdidas de información
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RED DE COMUNICACIONES (III)MODELO 1 DE SIMULACIÓN
( )
Parámetros deParámetros de simulación de la
red de comunicaciones
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RED DE COMUNICACIONES (IV)MODELO 2: TRÁFICO
( )
D ód l· De sensores de la planta al controlador
• Dos módulos
T áfi i d d
· Del controlador a actuadores de la planta
• Tráfico viene dado por:
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Modelo de NCS con retardos de transmisión
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RED DE COMUNICACIONES (y V)MODELO 2: TRÁFICO
(y )
Normal Aleatoria
t blα-estable
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VEHÍCULOS (I)CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES
( )
• Motor de combustión interna de dos tiempos y 23cc.• Combustible mezcla de aceite y gasolina• Combustible mezcla de aceite y gasolina.• Autonomía de 45 minutos con el depósito lleno.• Receptor electrónico para el radiocontrol• Receptor electrónico para el radiocontrol.• Servomotores para el gobierno de la dirección y el mando
del gas/frenodel gas/freno.• Doble amortiguador (hidráulico) en el eje delantero.
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VEHÍCULOS (II)MODELOS CINEMÁTICO Y DINÁMICO
( )
• Control longitudinal (de velocidad) y control lateral (cambio de carril) del vehículo.
Modelo de simulación del vehículo
Modelo cinemático de la bicicleta
Dinámica lateral (volante)Dinámica longitudinal
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VEHÍCULOS (y III)SENSORES
(y )
• Redundancia · Alcanzar alta fidelidad en los datos (incertidumbre)
sensorial · Control a diferentes niveles
· Acelerómetros
• Sensores · Giróscopos
· Ópticos
· GPS
• Modelar ruido: generador de números aleatorios con
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gdistribución uniforme/normal.
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VALIDACIÓN Y FUSIÓN SENSORIAL (I)
INTRODUCCIÓN
• Redundancia sensorial: múltiplesl t d l i bl did Método para la lecturas de la variable medida.
• Sistemas realimentados: únicovalor de realimentación
pvalidación y
fusión de datosvalor de realimentación.
• Validación· Elimina ruido de lecturas sensores.
• Validación · Incrementa robustez del sistema cuando se produzcanfallos en sensores.
P t d lid ió i l d fi l did d lPuertas de validación: asignan valores de confianza a las medidas de los sensores en función de la proximidad al valor estimado de la variable medida
· Combina las múltiples lecturas• Fusión
· Combina las múltiples lecturas.
· Proporciona un estado del sistema coherente y preciso(único valor).
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(ú co a o )
Media ponderada usando como pesos los valores de confianza
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VALIDACIÓN Y FUSIÓN SENSORIAL(II)
INTRODUCCIÓN
• No existe un método ‘universal’ para la validación y fusión d d tde datos.
• Herramientas usadas:Herramientas usadas:Teoría matemática Herramienta
Teoría de la probabilidad Método bayesiano filtro de KalmanTeoría de la probabilidad Método bayesiano, filtro de Kalman
Teoría de la evidencia Teoría de Dempster‐Shafer
Conjuntos borrosos y teoría de la posibilidad Conjuntos y sistemas borrososConjuntos borrosos y teoría de la posibilidad Conjuntos y sistemas borrosos
Redes neuronales Redes neuronales artificiales
• Método FUSVAF
· Puertas de validación adaptativas para cada sensor.
· Algoritmo de fusión basado en lógica borrosa
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FUSVAF · Algoritmo de fusión basado en lógica borrosa.
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VALIDACIÓN-FUSIÓN SENSORIAL (III)
MÉTODO FUSVAF
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VALIDACIÓN-FUSIÓN SENSORIAL (III)
MÉTODO FUSVAF
• Algoritmo de fusión
· Cambios en el error
g
(valor estimado – lectura)
· Depende del estado Depende del estadodel sistema
Reglas borrosas:· Si (el cambio es pequeño) entonces (a es large).
-estado estacionario-· Si (el cambio es medio) entonces (a es medium).
-estado intermedio-· Si (el cambio es grande) entonces (a es small).
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-estado transitorio-
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VALIDACIÓN-FUSIÓN SENSORIAL(yIV)
SENSORES
• Tres sensores.
• GPS:
Precisión disponibilidad señalPrecisión, disponibilidad señal,retraso (tiempo de latencia+transmisión) frecuencia (5 10Hz)transmisión), frecuencia (5-10Hz).
Método de sincronización:
Modelo de ruido:
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CONTROLADORES (I)CONTROLADORES EMBARCADOS
( )Control embarcadoControl en red
• Control de velocidad:
• Control de cambio de carril:• Control de cambio de carril:
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CONTROLADORES (II)CONTROLADOR PD CON SALIDA LIMITADA
( )
Evita la saturación del actuador delvolante. Salida limitada a ± 9.
CONTROLADOR BORROSOReglas borrosas:
Si (cabeceo o desviación lateral es left)• Si (cabeceo o desviación lateral es left) entonces (volante es right).• Si (cabeceo o desviación lateral es right) entonces (volante es left).
Variables entrada: cabeceo y desviaciónlateral Variable salida: comando dirección
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lateral. Variable salida: comando dirección. Salida limitada inherentemente a ± 10.
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CONTROLADORES (III)CONTROLADORES PREDICTIVOS GENERALIZADOS
( )
Sistema en lazo cerrado
· Constantes GPC (Generalized Predictive Controller)
· Variables FGPC (Fractional-Order GPC) Variables FGPC (Fractional Order GPC)
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CONTROLADORES (y IV)CONTROLADORES PREDICTIVOS GENERALIZADOS
(y )
• GPC:
• FGPC:
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RESULTADOS DE SIMULACIÓN (I)ESQUEMA DE SIMULACIÓN (I)
( )
Ú( )
Único sensor
• Maniobra de cambio• Maniobra de cambio de carril
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RESULTADOS DE SIMULACIÓN (II)PD SALIDA LIMITADA – CONT. BORROSO
( )
Ambiente poco ruidoso [ruido sensor (-0.005,0.005)]
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RESULTADOS SIMULACIÓN (III)PD SALIDA LIMITADA – CONT. BORROSO
( )
Ambiente ruidoso [ruido sensor (-0.1,0.1)]
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RESULTADOS SIMULACIÓN (IV)CONT. PREDICTIVOS GENERALIZADOS
( )
Ambiente poco ruidoso [ruido sensor (-0.005,0.005)]
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RESULTADOS DE SIMULACIÓN (V)CONT. PREDICTIVOS GENERALIZADOS
( )
Ambiente ruidoso [ruido sensor (-0.1,0.1)]
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RESULTADOS SIMULACIÓN (VI)ESQUEMA DE SIMULACIÓN (II)
( )( )
Redundancia sensorial
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RESULTADOS SIMULACIÓN (VII)PD SALIDA LIMITADA – CONT. BORROSO
( )
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RESULTADOS SIMULACIÓN (y VIII)CONT. PREDICTIVOS GENERALIZADOS
(y )
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CONCLUSIONES
• Control en red de velocidad de AGV no se ve afectado por los problemas de la red de comunicaciones.
• Control en red del cambio de carril es delicado.• Se proponen cuatro controladores: mejores resultados con
l b ( lid li it d i h t t id lel borroso (salida limitada inherentemente y considera el cabeceo) y con el FGPC.R d d i i l id d ét d l• Redundancia sensorial: necesidad método para la validación y fusión de datos.
1 Estrategias de control robusto que minimicen o compensen1. Estrategias de control robusto que minimicen o compensen efectos de la red.
2 Ruido de los sensores afecta a la estabilidad del sistema2. Ruido de los sensores afecta a la estabilidad del sistema filtrado y tratamiento de las medidas (filtro de Kalman, fusión sensorial )
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fusión sensorial…).3. Control de la propia red de comunicaciones (gestión colas).
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TRABAJO FUTURO (I)
• Modelo canal de comunicaciones:
( )
• Modelo canal de comunicaciones:
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TRABAJO FUTURO (y II)(y )
• Aplicar otras estrategias de control robusto y métodos de compensación de efectos.
• Validar los controladores sobre los vehículos a escala lreales.
M i b d ió t hí l i t i• Maniobras de cooperación entre vehículos: intersecciones y rotondas.
• Investigar algoritmo FUSVAF (parámetros considerados fijos y embarcado en el vehículo) y otros métodosfijos y embarcado en el vehículo) y otros métodos.
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AGRADECIMIENTOS
• Ministerio de Educación y Ciencia:• “Modelado, análisis y guiado de un sistema de vehículos
en red” (DPI2005-07980-C03-03) .• “Control y Coordinación de un Sistema de Vehículos
A tó R d l M d l Si tAutónomos en Red en el Marco de los Sistemas Híbridos” (ref. TRA2008-06602-C03-02/AUT).
J t d E t d b P d t l d F ió d• Junta de Extremadura: beca Predoctoral de Formación de Personal Investigador.
• Dpto de Sistemas de Comunicación y Control de UNED:• Dpto. de Sistemas de Comunicación y Control de UNED:• Miguel Romero.• Ángel P de Madrid• Ángel P. de Madrid.
• Instituto de Automática Industrial del CSIC:• Teresa de Pedro Ricardo García
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• Teresa de Pedro, Ricardo Garcíay su equipo
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JORNADAS DEJORNADAS DE INGENIERÍA DE CONTROL
Control en red de vehículosControl en red de vehículos autónomos. Primeros resultados
INÉS TEJADO BALSERA ([email protected])BLAS M VINAGRE JARA (bvinagre@unex es)BLAS M. VINAGRE JARA ([email protected])
Valencia, 1-2 de abril de 2009