| Datos solicitud: |
| Clave Propuesta | CBF2023-2024-1964 |
| Infografía | https://www.facebook.com/photo?fbid=1051612366765109&set=a.194624262463928&locale=es_LA |
| Modalidad | CIENCIA BÁSICA |
| Datos Generales: |
| Título | Control en tiempo finito de robots que operan en ambientes no estructurados. |
| Resumen Ejecutivo | Los robots se utilizan en diversos ámbitos debido a que realizan eficazmente muchas tareas. Dos de las tareas básicas son mover un robot a una posición fija y hacerlo seguir una trayectoria. Bajo condiciones de operación nominal y ambientes bien conocidos, estas tareas se logran gracias a la unidad de control del robot, constituida generalmente por un controlador clásico Proporcional-Integral-Derivativo (PID). El desempeño de este controlador se deteriora en presencia de efectos que persisten y cambian de forma significativa al momento que el robot realiza una tarea. Cuando la forma o estructura de estos efectos se conoce, pueden emplearse los enfoques convencionales que poseen un término PD más un término adicional que busca aproximar los efectos desconocidos que afectan al robot. En las aplicaciones del mundo real, no es posible conocer con precisión la forma exacta del efecto indeseado y entre más se desconozca tal efecto, la complejidad en la implementación de este tipo de controladores crece drásticamente. Además, la mayoría de las tareas que realizamos en la vida diaria, las hacemos en un tiempo determinado o finito. Esta propuesta pretende diseñar controladores no lineales novedosos, de estructura simple, para que ciertos robots realicen las tareas básicas primordiales en tiempo finito y operen satisfactoriamente en ambientes poco o nada conocidos, prescindiendo de la forma exacta de los efectos desconocidos que se presentan al momento de realizar la tarea asignada. |
| Área | Ingenierías y Desarrollo Tecnológico. |
| Campo | Ciencias tecnológicas. |
| Disciplina | Ingeniería y tecnología eléctricas. |
| Subdiciplina | Control automático. |
| Especialidad | Control de Robots. |
| Palabras Clave | Robot móvil diferencial, Ambiente incierto, Robot manipulador, Término integral continuo, Término integral discontinuo, Ambiente poco o nada estructurado, Efectos desconocidos, Control robusto en Tiempo finito, Regulación, Seguimiento, Control continuo. |
| Objetivo General | Generar conocimiento de frontera y nuevas líneas de investigación en el área de control de robots mediante la propuesta de controladores de tiempo finito para robots manipuladores completamente actuados y robots móviles tipo diferenciales. Este trabajo pretende dar una solución de como controlar estos sistemas robóticos en ambientes poco o nada estructurados. Parte central del proyecto consiste en demostrar que diversos esquemas de control de tiempo finito con término integral no lineal, compuesto por funciones continuas o discontinuas del error (de regulación o seguimiento) en su estructura, garantizan un desempeño satisfactorio y superior, en comparación con los controladores hasta ahora conocidos, en ciertos robots que ejecutan tareas de regulación o seguimiento en tiempo finito en ambientes donde existen efectos imprevistos o desconocidos. La fuente de estos efectos son las incertidumbres en los parámetros del modelo de los robots, los efectos no modelados y las perturbaciones externas que varían notablemente con el tiempo. Efectos que los controladores actuales no pueden contrarrestar eficazmente sin incrementar la complejidad de su estructura, y aún así, pueden tener un desempeño insatisfactorio al momento de realizar la tarea asignada. Tal demostración requiere introducir nuevas herramientas matemáticas a los métodos de Lyapunov, que permitirán obtener una expresión explícita para la sintonización de ganancias y que no es posible tener con técnicas existentes. |
| Objetivos Específicos: | Descripción: |
| 1 | Demostrar que es posible diseñar controladores no lineales con término integral discontinuo para resolver tareas de regulación y seguimiento eficazmente en tiempo finito para un robot manipulador completamente actuado que opera en ambientes poco o nada estructurados utilizando únicamente mediciones de posición. El diseño se validará añadiendo nuevas herramientas al segundo método de Lyapunov. |
| 2 | Demostrar que es posible diseñar esquemas de control no lineales con término integral continuo y discontinuo para resolver elproblema de seguimiento satisfactoriamente en tiempo finito para un robot tipo diferencial que opera en ambientes poco o nada estructurados utilizando únicamente mediciones de posición. El diseño se validará añadiendo nuevas herramientas al segundo método de Lyapunov. |
| 3 | Demostrar que es posible diseñar controladores no lineales con término integral discontinuo para resolver tareas de regulación y seguimiento eficazmente en tiempo finito para un robot manipulador completamente actuado que opera en ambientes poco o nada estructurados utilizando mediciones de posición y velocidad. El diseño se validará añadiendo nuevas herramientas al segundo método de Lyapunov. |
| 4 | Demostrar que es posible diseñar esquemas de control no lineales con término integral continuo y discontinuo para resolver el problema de seguimiento satisfactoriamente en tiempo finito para un robot tipo diferencial que opera en ambientes poco o nada estructurados utilizando mediciones de posición y velocidad. El diseño se validará añadiendo nuevas herramientas al segundo método de Lyapunov. |
| 5 | Implementar una plataforma de simulación y experimentación para los robots móviles considerados, dando lugar a la validación experimental de los esquemas de control que se diseñen en este proyecto de investigación y que sea rentable para futuras investigaciones derivadas de esta propuesta y útil para otros académicos e investigadores de la institución. |
| Responsables del Proyecto: |
| Responsable Técnico | EMMANUEL CRUZ ZAVALA |
| Grupo de Trabajo: |
| Participantes: |
| Rol | Nombre | CVU | Nivel SNI | Especialidad | Entidad federativa |
|---|---|---|---|---|---|
| Investigador(a) participante | EMMANUEL NUÑO ORTEGA | 40778 | Investigador Nacional Nivel II | Control de sistemas teleoperados | |
| Investigador(a) participante | TONAMETL SANCHEZ RAMIREZ | 371652 | Investigador Nacional Nivel I | Control automático | |
| Estudiante | LUIS A. TABAREZ ARELLANO | Ingeniero en Robótica | |||
| Estudiante | LAZARO FABRICIO TORRES OROZCO | 1319340 | Ingeniero en Robótica | ||
| Investigador(a) participante | CARLOS IVAN ALDANA LOPEZ | 40776 | Control de robots es espacio cartesiano | ||
| Investigador(a) participante | ANTONIO LORÍA | Control de robots móviles | |||
| Investigador(a) participante | JAIME ALBERTO MORENO PEREZ | 16941 | Investigador Nacional Nivel III | Control de sistemas no lineales | |
| Investigador(a) participante | ANGEL IGNACIO PAREDES LOPEZ | 1088222 | Control en consenso de robots |
| Descripción de la Propuesta: |
| Modalidad de proyecto | Investigador Joven |
| Descripción de la Propuesta | Uno de los retos más difíciles de llevar a cabo es controlar robots en ambientes de operación muy poco conocidos o inciertos, para que cumplan satisfactoriamente las tareas básicas: regulación o seguimiento. La mayoría de los controladores actuales se diseñan para operar en condiciones nominales y en ambientes bien estructurados, donde todos los efectos ajenos al robot se consideran estar bien caracterizados. Una caracterización exacta de los efectos desconocidos es básicamente imposible, raramente se presenta en un ambiente de operación real, solo se presenta en ambientes construidos por el ser humano e implica un altísimo costo de mantenimiento del ambiente estructurado. Hasta ahora no existen controladores que operen eficazmente en ambientes inciertos sin incrementar la complejidad del controlador, y aun así pueden generar un desempeño insatisfactorio al momento de realizar la tarea asignada. Este proyecto contribuye al conocimiento con la propuesta de controladores no lineales para que una clase de robots manipuladores y una clase de robots móviles realicen las tareas básicas en ambientes inciertos. Estos controladores tendrán las siguientes características: producirán un mejor desempeño que los controladores conocidos en ambientes inciertos; tendrán una estructura simple; producirán señales de control continuas por lo que su implementación no pone en riesgo el funcionamiento de los motores de los robots; y garantizarán la realización de la tarea asignada en tiempo finito |
| Hipótesis o Pregunta(s) de Investigación | Existen familias de controladores no lineales que permiten resolver las tareas de regulación y seguimiento satisfactoriamente en robots que operan en ambientes poco o nada estructurados, donde la presencia de los efectos imprevistos y/o desconocidos, como incertidumbre paramétrica, efectos externos y dinámicas no modeladas, que varían notablemente con el tiempo, perjudican considerablemente la adecuada realización de la tarea asignada. Comparado con los controladores hasta ahora conocidos, los controladores deberían tener las siguientes características: su estructura debería ser simple; no deberían requerir de la estructura exacta de los efectos desconocidos; deberían resolver las tareas de regulación y seguimiento en tiempo finito; deberían poder utilizar mediciones de posición y velocidad de los robots o prescindir de esta última para su implementación; y deberían producir señales de control continuas que no pondrán en riesgo el funcionamiento de los motores de los robots. |
| Etapa 1: Meta(s) | Diseñar controladores no lineales con término integral continuo y discontinuo para resolver tareas de regulación en tiempo finito en un robot manipulador completamente actuado en un ambiente incierto, es decir, en presencia de efectos no modelados y/o desconocidos, utilizando mediciones de posición y velocidad. Además, diseñar una familia de controladores con término integral continuo para hacer regulación en un ambiente no estructurado utilizando únicamente mediciones de posición. |
| Etapa 1: Resultados Esperados | Para los robots manipuladores completamente actuados que opera en un ambiente incierto se espera tener el análisis de estabilidad y diseño de (a) Una familia de controladores no lineales con término integral continuo que resuelve tareas de regulación en tiempo finito en un robot manipulador utilizando mediciones de posición y de velocidad. (b) Una familia de controladores no lineales con término integral continuo que resuelve tareas de regulación en tiempo finito en un robot manipulador sin utilizar mediciones de velocidad. (c) Un controlador no lineal con término integral discontinuo que resuelve tareas de regulación en tiempo finito en un robot manipulador utilizando mediciones de posición y de velocidad. |
| Etapa 2: Meta (s) | Para un robot manipulador completamente actuado desarrollar un controlador no lineal con término integral discontinuo para resolver tareas de seguimiento en tiempo finito en un ambiente incierto, es decir, en presencia de efectos imprevistos y/o desconocidos, utilizando mediciones de posición y velocidad. Por otro, desarrollar un controlador no lineal con término integral discontinuo para resolver tareas mencionadas en un ambiente incierto utilizando solo mediciones de posición. |
| Etapa 2: Resultados Esperados | Para los robot manipuladores completamente actuados que opera en un ambiente incierto se espera tener el análisis de estabilidad y diseño de (a) Un controlador no lineal con término integral discontinuo que resuelve tareas de regulación en tiempo finito en un robot manipulador sin utilizar mediciones de velocidad. (b) Un controlador no lineal con término integral discontinuo que resuelve tareas de seguimiento en tiempo finito en un robot manipulador utilizando mediciones de posición y velocidad. (c) Un controlador no lineal con término integral discontinuo que resuelve tareas de seguimiento en tiempo finito en un robot manipulador sin utilizar mediciones de velocidad. |
| 10 meses: |
| Descripción: |
| Durante la primera etapa se diseñarán esquemas de control no lineal con término integral continuo y con término integral discontinuo para ejecutar tareas de regulación en robots manipuladores completamente actuados que operan en ambientes poco o nada estructurados. Primero, se hará una revisión detallada del estado del arte sobre los controladores existentes tipo PID y adaptables para robots sin restricciones no-holonómicas en tareas de regulación. Luego, se estudiarán los controladores no lineales con término integral continuo en dos casos: cuando se pueden medir posiciones y velocidades del robot, y cuando solo se pueden medir posiciones. En primera instancia, se analizarán los esquemas para tareas de regulación que usan mediciones de posiciones y velocidades del robot, y posteriormente se estudiarán los que no requieren mediciones de velocidad. Para estos esquemas iniciales se supondrá que los efectos imprevistos y/o desconocidos poseen una estructura o forma constante como generalmente se considera en los esquemas PID convencionales. Para el caso del controlador no lineal con término integral discontinuo solamente se estudiará el caso cuando se miden posiciones y velocidades del robot. Aquí, se supondrá que no se conoce la estructura o forma exacta de los efectos imprevistos y/o desconocidos, y que pueden variar considerablemente con el tiempo, lo que puede llegar a perjudicar notablemente la ejecución de la tarea asignada. La validación matemática del diseño de los controladores para las tareas de regulación del robot hará uso de la siguiente metodología: un modelado dinámico de los robots utilizando las ecuaciones Euler-Lagrange, las propuestas de controladores no lineales con término integral continuo y discontinuo se validarán mediante un análisis de estabilidad del sistema de lazo compuesto por el robot y el controlador. Para el análisis de estabilidad se buscará utilizar el control basado en pasividad y la teoría de homogeneidad de sistemas estables en tiempo finito. Sin embargo, si no es posible emplear estas técnicas se utilizará el segundo método de Lyapunov y la caracterización de la propiedad de convergencia en tiempo finito del sistema de control compuesto del robot y los controladores, el cual requiere de la construcción de ciertas funciones tipo energéticas (funciones de Lyapunov estrictas). Cabe mencionar, que el método establece las propiedades que deben tener las funciones tipo energéticas pero no dice como construirlas. Por lo que se debe proponer la función adecuada para cada sistema de control. Además, se necesitarán crear nuevas herramientas para determinar una de las dos propiedades que estas funciones deben cumplir para aplicar dicho método. Esto va a permitir generar una fórmula explícita para la sintonización de las ganancias de los controladores por proponerse. En general, las herramientas conocidas no permiten obtener una fórmula explícita para la sintonización de las ganancias para los sistemas de control de tiempo finito en presencia de perturbaciones. Una vez validado el diseño, se simularán y compararán los controladores propuestos con otros esquemas existentes en la literatura. Finalmente, se reportarán los resultados en revistas indexadas y artículos de congreso. Esta etapa requerirá de la realización de dos estancias técnicos académicas para resolver obstáculos que se presenten durante la obtención de los resultados del proyecto y sacar adelante los entregables comprometidos. Además, de la asistencia a un congreso nacional para la presentación de los resultados preliminares de la primera etapa. Durante esta etapa también se hará la compra del equipo necesario para el desarrollo de la plataforma experimental del robot móvil. Este equipo corresponde a la adquisición de cámaras de localización y seguimiento para los robots móviles que se requieren para implementar y realizar pruebas experimentales de los robots móviles en tiempo real. Se hará la elaboración e impresión de diverso material para la divulgación y difusión del avance del proyecto. |
| Actividades |
| Actividad: | Realizada | En proceso | Pendiente |
| Síntesis de los controladores no lineales con término integral continuo y con término integral discontinuo para robots manipuladores. |  | ||
| Realización de una estancia de una semanas para participantes mexicanos en las instituciones nacionales participantes, UdeG, IPICyT y UNAM, con el propósito de resolver obstáculos que se presenten durante la obtención de los resultados del proyecto durante la primera etapa y que requieren de trabajo presencial para sacar adelante los entregables comprometidos. | | ||
| Redacción de un artículo para su posible sometimiento en el Congreso Nacional de Control Automático o al Congreso Mexicano de Robótica. | | ||
| Simulaciones de los controladores no lineales con término integral continuo y con término integral discontinuo. |  | ||
| Realización de una estancia de dos semanas para participantes mexicanos en las instituciones nacionales participantes, UdeG, IPICyT y UNAM, con el propósito de resolver obstáculos que se presenten durante la obtención de los resultados del proyecto durante la primera etapa y que requieren de trabajo presencial para sacar adelante los entregables comprometidos. | | ||
| Estudio detallado del estado del arte detallado sobre el control PID convencional, PID no lineal y el Control adaptable convencional para robots sin restricciones no-holonómicas en tareas de regulación. | | ||
| Compra del equipo necesario para el desarrollo de la plataforma experimental del robot móvil. | | ||
| Redacción y sometimiento de dos artículos en revistas indexadas internacionales de alto factor de impacto. | | ||
| Creación de la página web del proyecto, donde se publicarán los avances y se hará difusión en distintas redes sociales. | | ||
| Asistencia a un congreso nacional para la presentación de los resultados preliminares de la primera etapa. | | ||
| Elaboración e impresión de material para la divulgación y difusión del avance del proyecto. | |
| Entregables: |
| Dos artículos científicos enviados a revista internacional indexada, Un artículo de congreso nacional, Creación de una infografíab o folletos o carteles para darle divulgación y difusión a los avances del proyecto., Estancia de un estudiante en cualquiera de la instituciones participantes, Una ponencia en congreso nacional |
| 10 meses: |
| Descripción: |
| La segunda etapa se centrará principalmente en el control de robots para realizar tareas de seguimiento en tiempo finito en ambientes inciertos, y se compone de dos partes. La primera parte concluirá con los esquemas de control para el robot manipulador mediante el diseño de un controlador no lineal con término integral discontinuo para ejecutar tareas de regulación utilizando sólo mediciones de posición. El diseño seguirá la misma metodología de la etapa uno. La segunda parte se centrará propiamente en la extensión de los controladores no lineales con término integral discontinuo al caso de seguimiento de trayectorias que varían con el tiempo. Aquí se hará una revisión detallada del estado del arte sobre los controladores existentes tipo PID y adaptables para robots sin restricciones noholonómicas en tareas de seguimiento. Para el caso de seguimiento también se considerarán dos esquemas: un esquema que utiliza mediciones de posición y velocidad del robot manipulador, y otro que emplea solamente mediciones de posición. Nuevamente, el diseño de los controladores se hará a través del análisis de estabilidad del sistema de lazo compuesto por el robot y el controlador. En las tareas de seguimiento se utilizará el segundo método de Lyapunov y la caracterización de tiempo finito utilizando funciones de Lyapunov estrictas, además de las herramientas matemáticas creadas en la primera etapa para determinar una de las dos propiedades que estas funciones deben cumplir para aplicar el método de Lyapunov. Esto permitirá generar una fórmula explícita para la sintonización de las ganancias de los controladores por proponerse. Una vez validado el diseño, se simularán y compararán los controladores propuestos con otros esquemas de seguimiento existentes en la literatura. Se reportarán los resultados en revistas indexadas, artículos de congreso y se realizará un artículo de divulgación. Esta etapa requerirá de la realización de dos o tres estancias técnico-académicas para resolver obstáculos que se presenten durante la obtención de los resultados del proyecto y sacar adelante los entregables comprometidos. Una de estas estancias es internacional y las otras son nacionales. La estancia en el extranjero se realizará en el Laboratorio de Sistemas y Señales de la Centrale-SUPELEC, París, Francia, y tiene como objetivo empezar a trabajar en los controladores para los robots móviles de la tercera etapa. Además, se planea realizar la asistencia a uno o dos congresos nacionales y a uno internacional para la presentación de los resultados preliminares de la segunda etapa. Durante esta etapa también se hará la compra del equipo de cómputo de escritorio de altas prestaciones para implementación del sistema de localización y seguimiento de los robots móviles y de los esquemas de control. Una computadora se requiere para el funcionamiento del equipo de localización y seguimiento. El segundo equipo de cómputo se necesita para la comunicación con el robot e implementación de los controladores. También se desarrollará software para establecer la localización y la comunicación en los robots móviles diferenciales TurtleBot Wafle PI 3 con los que cuenta la institución. Durante esta etapa se planea tener la dirección de una tesis de estudiante de maestría, y se hará la elaboración e impresión de diverso material para la divulgación y difusión del avance del proyecto. |
| Actividades |
| Actividad: | Realizada | En proceso | Pendiente |
| Realización de una estancia de dos semanas para participantes mexicanos en las instituciones nacionales participantes, UdeG, IPICyT y UNAM. La estancia tiene el propósito de resolver obstáculos que se presenten durante la obtención de los resultados del proyecto durante la segunda etapa y que requieren de trabajo presencial para sacar adelante los entregables comprometidos. | |||
| Elaboración e impresión de material para la divulgación y difusión del avance del proyecto. | |||
| Dirección de una tesis de un estudiante de maestría | |||
| Desarrollo de software para establecer la localización y la comunicación en los robots móviles diferenciales. | |||
| Simulaciones de los controladores no lineales con término integral discontinuo para el robot manipulador. | |||
| Redacción y sometimiento de dos artículos en revistas indexadas internacionales de alto factor de impacto. | |||
| Estudio del estado del arte detallado sobre el control PID convencional, PID no lineal y el Control adaptable convencional para robots sin restricciones no-holonómicas en tareas de seguimiento. | |||
| Asistencia a uno o dos congresos nacionales para la presentación de los resultados preliminares de la segunda etapa. | |||
| Compra del equipo de cómputo necesario para el desarrollo de la plataforma experimental del robot móvil. | |||
| Realización de una estancia de tres semanas para participantes mexicanos en la institución extranjera participante Centrale-SUPELEC, en París, Francia. La estancia es necesaria, ya que el Dr. Loría es experto en el control de robots móviles con restricciones no holonómicas. La estancia tiene el propósito de trabajar en la obtención de algunos de los resultados para los robots móviles de la tercera etapa y que requieren de trabajo presencial para sacar adelante los entregables comprometidos. | |||
| Asistencia a un congreso internacional para la presentación de los resultados preliminares de la segunda etapa. | |||
| Actualización y mantenimiento de la página web del proyecto, así como su difusión en las redes sociales. | |||
| Redacción y sometimiento de dos artículos en el Congreso Nacional de Control Automático o en el Congreso Mexicano de Robótica. | |||
| Redacción de un artículo de divulgación sobre el control no lineal con término integral discontinuo del robot manipulador. | |||
| Redacción y sometimiento de un artículo en congreso internacional. | |||
| Síntesis de los controladores no lineales con término integral discontinuo empleando solamente mediciones de posición para el robot manipulador. |
| Entregables: |
| Uno o dos artículos de congreso nacional, creación de una infografía, folleto o cartel para la divulgación y difusión de los avances del proyecto, estancia de un estudiante en cualquiera de las instituciones participantes, dos artículos científicos enviados a revista internacional indexada, dos artículos científicos aceptados o publicados en revista internacional indexada (estos serán las aceptaciones o publicaciones de los artículos de la primera etapa), una o dos ponencias en congreso nacional, un artículo de divulgación enviado para su publicación en revista nacional, una ponencia en congreso internacional y un artículo de congreso internacional. |