Sistema de localización de robots basado en efecto Doppler

Abstract

Los sistemas robotizados han sido una de las ramas de estudio con mayor interés dentro del marco de la tecnología. Estos sistemas robotizados se llevan implementando desde hace tiempo, con robots manipuladores en los procesos automáticos de las plantas industriales, pero este tipo de robots no son capaces de operar fuera de su entorno y es aquí donde entran los robots móviles. La idea de un robot móvil es que pueda desplazarse en su entorno a través de un medio, ya sea aéreo, terrestre o marítimo. Todos estos robots tienen la necesidad de conocer su entorno para poder actuar ante sus diversidades. Esta cantidad de información es suministrada a través de los sensores que convierten alguna magnitud física en impulsos eléctricos. La capacidad que tiene un robot de actuar depende por lo tanto no solo de sus actuadores, sino también de la precisión con la que obtiene las magnitudes que rigen su sistema. Es en este punto cuando cobra el sentido de la elaboración de este proyecto. Concretamente estamos ante un problema clásico de la odometría de los robots móviles terrestres, que consiste en la determinación de la posición. La posición relativa de un robot se puede determinar si se conoce las velocidades de su sistema de referencia en base a su posición inicial. La idea es aumentar la precisión con la que se obtienen estas velocidades, reduciendo la incertidumbre mediante la implementación de un sensor que pueda actuar en aquellos casos en los que otros tipos de sensores fallan. En los robots terrestre, una forma típica de obtener la velocidad es con un encoder, un sensor giratorio que mide la velocidad de las ruedas. Este sensor, aunque posee bastante resolución atrae varios problemas como la introducción de datos erróneos al medir en situaciones en el que las ruedas del robot sufren algún deslizamiento. La forma que hemos elegido para resolver este problema es diseñando e implementando un sensor de ultrasonidos, que aprovechándose del efecto Doppler, será capaz de medir la velocidad sin necesidad de tener un contacto físico con el suelo. Para ello, hemos organizado este proyecto en etapas a distinto niveles. Primero la fase de documentación, donde se establecerá todo el marco teórico y que será necesario para entender y diseñar el sensor. Después, la implementación práctica del proyecto, donde se estudiarán las características del sensor de ultrasonido utilizado, para encontrar la mejor forma de aprovechar el efecto Doppler, diseñar el circuito y programar el microcontrolador Arduino que calculará la velocidad y gestionará la comunicación con el robot. Luego, tenemos la fase de medida y comprobación de la eficacia del sensor y de los métodos usados. Nos apoyaremos en el uso de simuladores, instrumentos de medida, un banco de ensayos donde poder someter al sensor a distintas velocidades, e incluso se ha realizado la captura de datos con otro microcontrolador, el STM32, que nos añadirá información extra, con la aplicación de varios programas de análisis de datos como Python. La ordenación de estas fases serán acorde a él orden llevado en la ejecución de este proyecto, en el tiempo en el que fue realizado. Tras analizar los resultados y en la fase final del proyecto, expondremos nuestra conclusión sobre la eficacia del sensor, viendo la viabilidad de utilizarlo en un robot real de interior con su instalación en una silla de ruedas motorizada, y exponiendo sus ventajas, desventajas y posibles acciones de mejora.

Robotic systems have been one of the branches of study with the greatest interest within the framework of technology. These robotic systems have been implemented for a long time, with manipulator robots in the automatic processes of industrial plants, but these types of robots are not capable of operating outside their environment, and this is where mobile robots come in. The idea of a mobile robot is that it can move in its environment by means of a medium, be it air, land, or sea. All these robots have the need to know their environment to be able to act on its diversities. This amount of information is provided through sensors that convert some physical magnitude into electrical impulses. The ability of a robot to act therefore depends not only on its actuators, but also on the precision with which it obtains the magnitudes that govern its system. It is at this point that this project makes sense. Specifically, we are dealing with a classic problem in the odometry of terrestrial mobile robots, which consists of determining their position. The relative position of a robot can be determined if the velocities of its reference system are known based on its initial position. The idea is to increase the accuracy with which these velocities are obtained, reducing uncertainty by implementing a sensor that can act in cases where other types of sensors fail. In terrestrial robots, a typical way to obtain the speed is with an encoder, a rotating sensor that measures the speed of the wheels. This sensor, although it has a high resolution, attracts several problems such as the introduction of erroneous data when measuring in situations where the wheels of the robot suffer some slippage. The way we have chosen to solve this problem is by designing and implementing an ultrasonic sensor, which, taking advantage of the Doppler effect, will be able to measure the speed without the need for physical contact with the ground. To do this, we have organized this project in stages at different levels. First, the documentation phase, where all the theoretical frameworks will be established, and which will be necessary to understand and design the sensor. Then, the practical implementation of the project, where we will study the characteristics of the ultrasound sensor used, to find the best way to take advantage of the Doppler effect, design the circuit and program the Arduino microcontroller that will calculate the speed and manage the communication with the robot. Then we have the phase of measuring and testing the efficiency of the sensor and the methods used. We will rely on the use of simulators, measuring instruments, a test bench where the sensor can be subjected to different speeds, and we have even captured data with another microcontroller, the STM32, which will add extra information, with the application of various data analysis programs such as Python. The order of these phases will be in accordance with the order in which this project was carried out during the time in which it was carried out. After analysing the results and in the final phase of the project, we will present our conclusion on the effectiveness of the sensor, looking at the feasibility of using it in a real indoor robot with its installation in a motorised wheelchair, and explaining its advantages, disadvantages, and possible actions for improvement.