Desarrollo de un sistema de control cinemático para un robot móvil diferencial basado en LEGO Mindstorms EV3. Aplicación a la evitación de obstáculos

Abstract

[ES] En los últimos años se está incrementando de forma notable la presencia de robots de diversos tipos en los sectores industriales. Uno de los motivos de este auge es el avance en la tecnología, que ha permitido el uso de simuladores y de robots de bajo coste, proporcionado un entorno de experimentación y mejora continua. Otro motivo clave, ha sido la industria 4.0 que ha permitido obtener una mayor automatización en los procesos industriales, así como un mayor control y flexibilidad. En concreto, los robots móviles no solo necesitarán de un control preciso de los movimientos que realizan siguiendo una trayectoria definida, sino que también deberán disponer de la capacidad necesaria para evitar obstáculos que se encuentren en su camino, lo que se conoce como navegación. Este tipo de interacción la podemos encontrar por ejemplo en aplicaciones industriales de transporte de mercancías mediante robots para sectores de automoción, aeroespacial, defensa, etc¿ donde los robots móviles en ocasiones necesitan de rutas flexibles para poder esquivar obstáculos.

En el presente Trabajo Final de Grado (TFG) se propone el desarrollo de un sistema de control cinemático y planificación para un robot móvil diferencial utilizando un simulador. En concreto, se utilizará el robot móvil LEGO Mindstorms EV3 modelado en un simulador. En el TFG se abordará primero la selección del simulador para la programación del robot móvil, para posteriormente desarrollar la programación correspondiente que permita el control cinemático del robot. Por último, se estudiarán y desarrollarán algoritmos que permitan evitar obstáculos que se encuentren en la ruta planificada haciendo uso de los sensores disponibles.

El proyecto se realizará utilizando el simulador de sistemas robóticos Coppelia, el cual se ha seleccionado tras el estudio de otros simuladores, debido a sus grandes ventajas como su versatilidad, fácil ejecución en cualquier ordenador, así como poseer una versión gratuita para desarrollar cualquier sistema robótico. En el control del movimiento, se abordará inicialmente el fundamento teórico del control cinemático del movimiento de robots móviles diferenciales, tanto en seguimiento de trayectorias, como de caminos y se validará inicialmente utilizando Matlab y Simulink. Posteriormente, se trasladará al simulador Coppelia con Matlab para evaluar el control cinemático de movimiento con el robot móvil sobre rutas sencillas.

Tras validar el control cinemático de movimiento sobre rutas sencillas, se pasará al estudio teórico de los diferentes algoritmos que permiten evitar obstáculos para robots diferenciales, analizando sus ventajas e inconvenientes y se implementará una aplicación con alguno de estos algoritmos utilizando el simulador Coppelia. Para el desarrollo de la evitación de obstáculos se utilizarán los diferentes sensores que posee el robot, modificando así la ruta definida, haciendo la navegación posible y más eficiente.

[EN] In recent years, the presence of different types of robots in industrial sectors has been significantly increasing. One of the reasons for this growth is the advancement in technology, which has enabled the use of simulators and low-cost robots, providing an environment for experimentation and continuous improvement. Another key factor has been The Fourth Industrial Revolution, 4IR, or Industry 4.0, which has enabled greater automation in industrial processes, as well as increased control and flexibility. Specifically, mobile robots will not only require precise control of their movements along a defined path but also the necessary capability to avoid obstacles in their path, which is known as navigation. This type of interaction can be found, for example, in industrial applications of goods transportation using robots in sectors such as automotive, aerospace, defense, etc., where mobile robots sometimes require flexible routes to bypass obstacles.

In this Bachelor's Degree Final Project (TFG), the development of a kinematic control and planning system for a differential mobile robot using a simulator is proposed. Specifically, the LEGO Mindstorms EV3 mobile robot will be used and modeled in a simulator. The TFG will first address the selection of the simulator for programming the mobile robot, and subsequently, the corresponding programming will be developed to enable kinematic control of the robot. Finally, algorithms will be studied and developed to allow obstacle avoidance along the planned route using the available sensors.

The project will be carried out using the Coppelia robotics system simulator, which has been selected after studying other simulators due to its significant advantages, such as versatility, easy execution on any computer, and a free version for developing any robotic system. In terms of motion control, the theoretical foundation of kinematic control for differential mobile robots will be initially addressed, focusing on trajectory and path tracking. The initial validation will be done using Matlab and Simulink. Subsequently, the study will be transferred to the Coppelia simulator with Matlab to evaluate the kinematic motion control with the mobile robot on simple routes.

After validating the kinematic motion control on simple routes, a theoretical study of different algorithms for obstacle avoidance in differential robots will be conducted, analyzing their advantages and disadvantages. An application will be implemented using one of these algorithms in the Coppelia simulator. The different sensors available on the robot will be used for obstacle avoidance, thereby modifying the defined route, and making navigation possible and more efficient.