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Diseño e implementación de una estrategia avanzada de control, para resolver el problema de estabilidad de una bicicleta durante un recorrido libre, sin conductor y a velocidad constante

Baquero Suárez, Mauro (2017) Diseño e implementación de una estrategia avanzada de control, para resolver el problema de estabilidad de una bicicleta durante un recorrido libre, sin conductor y a velocidad constante. Maestría thesis, Universidad Nacional de Colombia - Sede Bogotá.

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Resumen

La auto-estabilización de una bicicleta ha sido un tema que se ha abordado en diferentes universidades del mundo y muchos trabajos lo han definido como un problema retante en el área de control automático. Se han reportado diferentes estrategias de control para estabilizar la bicicleta, y se han construido modelos matemáticos que permiten expresar de la mejor manera las variaciones dinámicas y cinemáticas más relevantes que ocurren en su recorrido. A partir de estos modelos se han planteado varias estrategias de control, ya sean clásicas o modernas, y algunas de estas gobiernan de manera arbitraria el error de seguimiento de la referencia con algún criterio de diseño y optimización. En este documento se propone una técnica avanzada de control para estabilizar la inclinación de una bicicleta que se desplaza libremente a una velocidad constante mínima. Para plantear esta técnica se analizan previamente varios modelos matemáticos, seleccionando aquel que se ajuste mejor a la dinámica del prototipo, para luego analizar y establecer las perturbaciones e incertidumbres más relevantes que afectarían a la planta. Se sabe que la bicicleta tiene un comportamiento inestable y no lineal en su posición vertical, que puede ser modelado como un sistema lineal de parámetros variantes en el tiempo (LPV) que depende de la velocidad de avance. Mediante el enfoque de Control por Rechazo Activo de Perturbaciones (ADRC) y aplicaciones de esta propuesta sobre la base de controladores y observadores Proporcional Integral Generalizado (GPI), se sintetiza un controlador con una estructura robusta que pueda minimizar el error de seguimiento y rechazar perturbaciones ante las incertidumbres y dinámicas no modeladas. Además, los lazos de control que estabilizan el sistema deben tolerar cambios suaves de velocidad de avance en el recorrido. Básicamente, el controlador propuesto girar´a hacia la derecha o izquierda la dirección de la bicicleta para contrarrestar su inclinación de forma similar a un péndulo invertido, pero con un desplazamiento sobre el suelo. Para determinar las condiciones y características a las cuales el controlador propuesto debe lograr un mejor desempeño, se realizan simulaciones y diferentes experimentos, analizando cada uno de los resultados obtenidos, y a partir de ellos, se busca la mejor sintonización de la estrategia. El documento se divide en seis capítulos. El Capítulo 1 entrega una introducción que explica la importancia de una bicicleta como medio de transporte, las invenciones que han surgido a lo largo de la historia para mejorar este sistema y los estudios científicos más importantes referidos a su dinámica y estabilidad. El Capítulo 2 abarca el análisis de la dinámica de una bicicleta en movimiento, el modelamiento matemático para la bicicleta que fue seleccionada como parte del prototipo de este trabajo y los procedimientos en la construcción de su modelo virtual en ADAMS. El Capítulo 3 tiene consignado el planteamiento de las estrategias de control que estabilizarían la bicicleta bajo ciertas condiciones iniciales, el análisis de desempeño de los controladores y su implementación en una co-simulación con ADAMS y MATLAB para recrear el movimiento de la bicicleta con una dinámica cercanamente más aproximada a la física del mundo real que su modelo matemático. El Capítulo 4 muestra los actuadores, sensores y tarjetas controladoras que se seleccionaron para esta aplicación por sus características de desempeño, tiempos de respuesta, porcentaje de error, resolución, precisión, energía, etc. Se muestra la ubicación de estos componentes en la bicicleta y se validan las mediciones realizadas por los sensores. El Capítulo 5 explica detalladamente cómo se realizó la implementación de los controladores en la bicicleta real y muestra los mejores resultados obtenidos en las experimentaciones. Al final, en el Capítulo 6, se dan las conclusiones del trabajo realizado y las recomendaciones de posibles mejoras que deberían ser tenidas en cuenta para un trabajo futuro con este prototipo., Abstract. The auto-stabilizing of a bicycle, is an issue that has caught the interest of different universities around the world; many works have defined it as a challenging problem in automatic control theory. Different control strategies to stabilize a riderless bicycle have risen, and mathematical models seeking for the best way to express its more relevant dynamic and kinematic variations when in motion have been built. From these models, several classical or modern control strategies have been proposed, and only some of them govern in arbitrary way the reference tracking error, with some design and optimization criterion. In this document, a control advanced technique to stabilize the tilt of a moving bicycle with a minimal constant forward speed is proposed. To pose this technique, several mathematical models were previously analyzed, and the one that better matched the prototype dynamics was selected to analize and define later the more relevant disturbances and uncertainties that would affect the plant. We Reckon that the bicycle has an unstable and non-linear behavior when in its upright position that can be modeled as a LPV (Linear-Parameter-Varying) system that depends of forward speed. By means of the Active Disturbance Rejection Control (ADRC) and applications of this proposal by Generalized Proportional Integral (GPI) observers and controllers, a robust control structure is sintetized to minimize the tracking error and reject disturbances before uncertainties and non-modeled dynamics. Furthermore, the control loops that stabilize the system must tolerate slow-rate forward speed in the bicycle movement. Basically, the proposed controller will turn right or left the bicycle steering system to counteract the tilt in similar way to an inverted pendulum, but with a displacement on the floor. To determine the conditions and features that allow the higher controller performance, different simulations and experiments were developed, and the obtained results were analized to find the correct tunning of proposed strategy. The document is divided into six chapters. Chapter 1 gives an introduction that explains the bicycle importance as a means of transportation, the arising inventions of the long history that improve this system and the more important scientific studies refered to its dynamics and stability. Chapter 2 comprises the moving bicycle dynamics, the mathematical modeling to the selected bicycle as part of the prototype in this work and the building procedure that was implemented using ADAMS virtual model. Chapter 3 shows the planning of the control strategies that stabilize the bicycle under certain initial conditions, the controllers performance analysis and its implementation in a co-simulation between ADAMS and MATLAB. The purpose of this implementation was to recreate the bicycle movement more aproximately to the real world physics than its mathematical model. Chapter 4 describes the selected actuators, sensors and control cards employed in this application by means of their features of performance, time response, error percentage, resolution, precision, energy, etc. Also, the localization of these components is showed and the sensors measurement is validated. Chapter 5 explains in detail how the controllers implementation in the real bicycle were developed, and shows the best results obtained in the experiments. Finally, in Chapter 6 the conclusions of this work are drawn together with the possible improving recomendations for future uses of this prototype.

Tipo de documento:Tesis/trabajos de grado - Thesis (Maestría)
Colaborador / Asesor:Cortés Romero, John Alexander
Información adicional:Magíster en Automatización Industrial. Línea de Investigación: Técnicas Avanzadas de Control.
Palabras clave:Técnicas avanzadas de control, Control proporcional integral generalizado, Rechazo activo de perturbaciones, Bicicleta autónoma, Teoría de control, Vehículos autónomos, Bicicleta eléctrica, Sistemas embebidos, Control robusto, Advanced control techniques, Generalized proportional integral controller, Active disturbances rejection control, Autonomous bicycle, Control theory, Autonomous vehicles, Embedded systems, Electric bicycle
Temática:6 Tecnología (ciencias aplicadas) / Technology
6 Tecnología (ciencias aplicadas) / Technology > 62 Ingeniería y operaciones afines / Engineering
Unidad administrativa:Sede Bogotá > Facultad de Ingeniería > Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica > Ingeniería Eléctrica
Código ID:56759
Enviado por : Ing. Mauro Baquero-Suárez
Enviado el día :24 May 2017 20:56
Ultima modificación:24 May 2017 20:57
Ultima modificación:24 May 2017 20:57
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