Robust and adaptive discrete-time control for autonomous off-road vehicles

A la hora de disenar un controlador para vehiculos todo terreno no tripulados existen dos aspectos a tener en cuenta, ademas de la propia dinamica del vehiculo: la velocidad y las irregularidades del terreno. Estos aspectos hacen que el comportamiento del sistema varie en el tiempo y, mientras que el primer aspecto puede ser medible, determinar como afectan las irregularidades del terreno a la dinamica del vehiculo puede ser extremadamente dificil. Las soluciones que cubren esta problematica pueden ser muy complejas y requerir gran cantidad de recursos tanto de tiempo como de conocimientos, haciendo que su implementacion en sistemas embebidos sea poco practica. La literatura propone soluciones basadas en la implementacion de controladores adaptativos con modelo de referencia (MRAC, por sus siglas en ingles). Sin embargo, aun existen aspectos a mejorar en terminos de robustez, alcance del controlador y complejidad de diseno e implementacion. El trabajo de investigacion desarrollado en esta tesis consiste en el analisis e implementacion de dos tipos de controladores: un regulador auto ajustable en cascada y un regulador auto ajustable robusto. El primero consiste en dos lazos de control anidados, donde el lazo interno contiene el regulador auto ajustable para la velocidad de viraje y el lazo externo contiene un controlador tipo PID para la posicion lateral del vehiculo, el cual es gestionado por un planificador de ganancias para ajustar los parametros del controlador segun la velocidad del vehiculo. El segundo controlador es un regulador auto ajustable robusto que controla directamente la posicion lateral del vehiculo. Ambos reguladores usan un controlador digital tipo RST, en el primero el algoritmo usado se basa en posicionamiento de polos de grado minimo (MDPP, por sus siglas en ingles), mientras que en el segundo se basa en un posicionamiento de polos robusto basado en un modelo de regulacion de segundo orden. Adicionalmente, este ultimo contiene un planificador de ganancias que ajusta los parametros del modelo de regulacion segun la velocidad medida del vehiculo. Para la identificacion en tiempo real de la dinamica de viraje, en ambos controladores se han propuesto dos tipos de algoritmos: Recursividad con minimos-cuadrados y Gradiente en tiempo real. Las controladores propuestos en esta tesis fueron validados en entornos simulados y reales, y comparados favorablemente frente a un controlador de tipo optimo ampliamente conocido. Ademas de utilizarse en robots agricolas con direccion deslizante, pueden aplicarse en vehiculos con diferente tipo de sistema de direccion, al ser los controladores lineales y "ligeros" en terminos de programacion, lo que favorece su implementacion en sistemas embebidos pequenos, reduciendo asi la brecha de transicion de prototipos de investigacion a vehiculos comerciales. Palabras clave: Robotica; Seguimiento de caminos; Seguimiento de trayectoria; Vehiculos todoterreno; Vehiculos autonomos; Control de navegacion; Navegacion automatica; Control digital robusto; Controlador RST; Localizacion digital de polos; Robotica en la agricultura; Robots con direccion deslizante; Regulador auto-ajustable; Sistema tractor-apero.