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

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.

• Autores: Baquero Suárez, Mauro
• Fecha de publicación: 2017
• Institución: Universidad Nacional de Colombia
• Repositorio: Universidad Nacional de Colombia
• Idioma: spa
• OAI Identifier: oai:repositorio.unal.edu.co:unal/59338
• Acceso en línea: https://repositorio.unal.edu.co/handle/unal/59338; http://bdigital.unal.edu.co/56759/
• Palabra clave: 6 Tecnología (ciencias aplicadas) / Technology; 62 Ingeniería y operaciones afines / Engineering; 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
• Rights: openAccess
• License: Atribución-NoComercial 4.0 Internacional