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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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INÉS TEJADO BALSERA ([email protected])BLAS M VINAGRE JARA (bvinagre@unex es)BLAS M. VINAGRE JARA ([email protected])

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