Análisis energético de una plataforma robótica móvil de tipo diferencial

Energy analysis of a differential type mobile robotic platform

Durante la última década la robótica móvil ha tenido grandes avances en el desarrollo de equipos, permitiendo realizar labores riesgosas para el ser humano, debido a que sus características brindan la posibilidad de explorar lugares desconocidos. En este artículo se analiza el consumo energético de la plataforma comparando dos estrategias de control: posición y velocidad. La plataforma se expuso a una trayectoria polinómica de quinto orden, en la que ambos casos debían recorrerla y demostrar, a partir de índices de desempeño, su respectiva robustez frente a perturbaciones en las ruedas del dispositivo, así como las modificaciones porcentuales de sus características. Mediante la teoría de la potencia media, al finalizar el recorrido se verificó cuál de los dos casos de control era el más eficiente energéticamente.

INTRODUCCIÓN

Actualmente, un reto en el diseño de plataformas robóticas de tipo diferencial es su autonomía energética para aplicaciones enfocadas en vigilancia, rastreo, supervisión de labores militares, agrarias, domésticas, entre otras [1]. Por esta razón, desde la teoría de control por rechazo activo de perturbaciones (ADRC) y la teoría clásica de control (PID), en este artículo se analiza el consumo energético mediante su implementación en una simulación que asemeja las características de un dispositivo robótico, teniendo en cuenta su ancho de banda como parámetro fundamental para la comparación. No obstante, las variaciones energéticas se presentan por las características de los controladores utilizados, que además por su naturaleza tienen diversos tipos de incertidumbres paramétricas, como las imperfecciones en el diseño estructural y en la construcción de los actuadores, entre otros.

La topología de control para el análisis energético propone dos escenarios para cada lazo de control. El lazo interno, o de posición, se basa en una linealización por prealimentación al que se le adicionan dos señales auxiliares. En el primer escenario, estas señales están compuestas por una estimación de términos aditivos tipo GPI [2] y en el segundo escenario, por una estrategia tipo PID [3]. Estas estrategias buscan dar seguimiento a una trayectoria de tipo polinómica. El lazo externo o de velocidad regula las velocidades en los actuadores para seguir la trayectoria planteada en el lazo interno. El primer escenario se basa en una estrategia de control por rechazo activo de perturbaciones (ADRC), con estados extendidos que tienen la capacidad de predecir diferentes tipos de incertidumbres. En el siguiente escenario, al igual que el lazo interno, se recurre a una estrategia de tipo PID [3].

El análisis de los resultados se basó en el planteamiento de los parámetros de la plataforma robótica. En este caso se contempló el modelo cinemático, el radio de las ruedas y la longitud que existe entre ellas. Adicionalmente, se empleó un conjunto de sensores de voltaje y corriente con un par de motores CD, con las características del modelo Maxon 448595, que se simularon con la librería Simulink, una extensión del software Matlab [4].