Control design and implementation for a line tracker vehicle

Abstract

The main goal of this work is to build a two-wheeled robot emulating a vehicle in a road. The aim of the overall project is to apply control techniques to different scenarios of communicated vehicles, such as: platooning, autonomous vehicles, overtaking maneuvers, automatic vehicle lane change, or shockwave traffic jam reduction. The first step, and the aim of this BSc thesis, is: i) to obtain the dynamic model of the robot tracking a path, ii) to design control algorithms for obtaining a desired performance, iii) to assemble the robot, and iv) to test the robot in a real path. From the robot kinematics, a nonlinear dynamics is derived. The used approach was not reported in the literature, and is the first contribution of the work. Then, using linear approximation, a proportional-integral (PI) controller is designed and validated under numerical simulations using Matlab/Simulink software. The last task of this work consists in assembling the robot hardware. This prototyping part included the robot mechanics (chassis, wheels,...), sensor implementation (encoders, reflective optical sensor,...) and coding the Digital Signal Processor (DSP). Finally, some real experiments of a robot tracking a path (a straight line with a sudden change of angle, a circle, and a sinusoid trajectory) has been performed to test the designed system.

El objetivo principal de este proyecto es montar un robot de dos ruedas que emule un vehículo en la carretera. La meta general de este proyecto es aplicar técnicas de control a diferentes situaciones propias de los vehículos comunicados, como por ejemplo: ?platooning?, vehículos autónomos, maniobras de adelantamiento, cambio de carril automático, o reducción del efecto acordeón del tráfico. El primer paso, y los objetivos de este proyecto de fin de grado, son: i) obtener el modelo dinámico del robot seguidor de línea, ii) diseñar algoritmos de control para obtener unas especificaciones deseadas, iii) construir el robot, y iv) testear el robot en diferentes trayectorias reales. Una dinámica no lineal se deriva desde la cinemática del robot. El enfoque utilizado es la primera contribución de este proyecto. Usando una aproximación lineal, un control proporcional integral (PI) se diseña y valida usando simulaciones numéricas en el software: Matlab/Simulink. La última parte del proyecto consiste en ensamblar el robot. Esta parte incluye: la mecánica del robot (chasis, ruedas...), implementación de los sensores (encoders, sensor óptico refractivo de infrarrojos?) y la programación del Procesador Digital de Señales (DSP). Finalmente, se comprueba el sistema diseñado mediante el seguimiento de diferentes trayectorias (una línea recta con cambio súbito de ángulo, un círculo, y una trayectoria sinusoidal).

L'objectiu principal d'aquest treball és construir un robot de dues rodes emulant un vehicle en la carretera. L'objectiu general del projecte és l'aplicació de tècniques de control a diferents escenaris de vehicles comunicats, com per exemple: platooning, vehicles autònoms, maniobres d'avançament, canvi automàtic de carril, o la reducció de l'efecte acordió del trànsit. El primer pas, i els objectius d'aquest projecte fi de grau, sòn: i) obtenir el model dinàmic del robot seguidor de línies, ii) el disseny d'algoritmes de control per obtenir el rendiment desitjat, iii) muntar el robot, i iv) provar el robot en un camí real. Es deriva una dinàmica no lineal de la cinemàtica del robot. L'enfocament utilitzat no apareix a la literatura, i és la primera contribució del projecte. Després, utilitzant una aproximació lineal, un controlador proporcional-integral (PI) es dissenya i valida mediant simulacions numèriques utilitzant el programa: Matlab / Simulink. L'última tasca d'aquest treball consisteix en el muntatge del robot. Aquesta part inclou la mecànica del robot (xassís, rodes, ...), la implementació dels sensors (codificadors, sensor òptic de reflexió, ...) i la programació del processador de senyals digitals (DSP). Finalment per testejar el sistema dissenyat, es realitzen alguns experiments on el robot ha de seguir vàries trajectòries (una línia recta amb un canvi brusc d'angle, un cercle, i una trajectòria sinusoïdal)