Proyecto: Control basado en IA para Múltiples Robots Móviles

El Proyecto SEP-CONACYT-ANUIES-ECOS NORD 315597 (2021-2024):


 Artificial Intelligence–based Control Approaches for Multiple Mobile Robots” 


es una investigación de colaboración bilateral entre el Tecnológico Nacional de México/I.T. La Laguna, Mx., y el Inria Lille-Nord Europe, Fr. El proyecto se centra en el estudio de tareas colectivas para sistemas robóticos móviles autónomos, en particular vehículos aéreos no tripulados (UAV) y robots móviles con ruedas (WMR). Este proyecto tiene como objetivo desarrollar esquemas de control y navegación combinando los métodos de inteligencia artificial (IA) y teoría del control. El objetivo es resolver diferentes tareas colectivas en sistemas de robots móviles autónomos. El proyecto también comprende la participación de diferentes instituciones: CNAM (Conservatoire national des arts et métiers), ESIME-IPN, CITEDI-IPN y ITESM Guadalajara. 

Este proyecto intenta atender un problema de incidencia nacional e internacional en el ambito de ingeniería. 

Participantes



Publicaciones


Revistas JCR


Book Chapters


Congresos Internacionales


Congresos Nacionales


Tesis de Doctorado Concluidas



Cursos



Seminarios de Investigación

 


Estancias de Investigación


Investigadores


Estudiantes


Descripción del Problema

Se requieren análisis e implementación de algoritmos de control y localización para diferentes Sistemas Robóticos Móviles Autónomos (AMoRS) en una gran variedad de aplicaciones debido a sus bajos costos, impacto social y protección de la vida humana. El estudio de AMoRS, así como sus aplicaciones, ha aumentado exponencialmente en los últimos años. Por ejemplo, los UAV se utilizan para supervisión y mantenimiento en redes de distribución de energía eléctrica, turbinas eólicas o generadores, plantas hidroeléctricas y células solares; todos ellos situados a alturas considerables y en zonas de difícil acceso para los seres humanos; mientras que los WMR se utilizan en el espacio industrial, en aplicaciones médico-quirúrgicas, en aplicaciones de pintura y desexaminación, accediendo a áreas peligrosas para los humanos, etc. Ambos también se utilizan para estudiar y reproducir el comportamiento de diferentes sistemas de agentes múltiples en la naturaleza, y también pueden trabajar juntos; por ejemplo, en las misiones de exploración, donde hay necesidad de cargar sus baterías de vez en cuando. Los WMR juegan el papel de las estaciones de acoplamiento mientras que los UAV realizan la exploración.

En México y Francia, muchas de las aplicaciones se centran en la supervisión y mantenimiento de las redes de energía eléctrica. Sin embargo, en el campo de la investigación, todavía hay muchos problemas que resolver para añadir seguridad, robustez y eficiencia, a los UAV que se emplean en esas aplicaciones.

Todas esas tareas requieren estudiar la dinámica de los diferentes AMoRS, analizar formalmente los diferentes problemas de aplicación, diseñar diferentes esquemas de control y planificación de rutas, e implementar diferentes algoritmos de visión que sean capaces de asegurar la realización de la tarea de manera segura y eficiente. Además, todos estos problemas de análisis y diseño de AMoRS se vuelven más complejos si se tiene en cuenta las incertidumbres: falta de precisión de medición, obstáculos y perturbaciones externas que aparecen durante las diferentes tareas. Además, es importante destacar la importancia de la cooperación para los robots móviles. La aplicación de varios AMoRS ofrece una solución a los siguientes problemas:

Además, el AMoRS ofrece algunas otras ventajas:

A pesar de todas las aplicaciones mencionadas, todavía hay muchos problemas abiertos relacionados con el diseño de esquemas de navegación robustos y la implementación de algoritmos de visión que sean capaces de realizar las tareas correspondientes de una manera segura y eficiente; bajo la presencia de incertidumbres en los modelos matemáticos, falta de precisión de medición y perturbaciones externas como ráfagas de viento, superficies irregulares u obstáculos. Además de esto, es muy importante que las tareas se realicen de manera autónoma y que los AMoRS sean capaces de lidiar con los problemas antes mencionados sin necesidad de re-configuraciones e intervención humana, es decir, requisitos de algoritmos de visión basados en IA.

Además, es importante destacar que la mayoría de las aplicaciones mencionadas de la AMoRS pueden ser consideradas esencialmente, en el marco de la teoría de control, como problemas de planificación de trayectorias, consenso, formación y evasión de obstáculos para un solo vehículo o múltiples vehículos, es decir, multi-agentes o multi AMoRS. Sin embargo, la solución a estos problemas no es sencilla y se debe hacer mucho esfuerzo de investigación en ambas áreas, teoría de control y algoritmos basados en IA.

Homogeneous Controller – Trajectory Tracking in Unicycle Mobile Robots – Experimental Results QBot2

A homogeneous controller is developed based on a particular cascade control strategy. The design is based on the canonical homogeneous norm and the degree of homogeneity. Some experimental results illustrate the performance of the proposed homogeneous control in the UMR QBot2 by Quanser.

The trajectory–tracking experiments, which consider soil on the surface, illustrate the performance of the proposed homogeneous controller (HC) compared with two other controllers, i.e., a first–order sliding–mode (FOSM) controller proposed in [1] and a nonlinear controller (NC) presented in [2]. 

[1] M. Mera, H. Ríos, and E. A Martínez. A sliding–mode–based controller for trajectory tracking of perturbed unicycle mobile robots. Control Engineering Practice, 102:104548, 2020.

[2] M. Maghenem, A. Loría, and E. Panteley. Formation-tracking control of autonomous vehicles under relaxed persistency of excitation conditions. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 26(5):1860–1865, 2017. 

A Super-Twisting-based Controller for Trajectory Tracking of Perturbed Unicycle Mobile Robots

In this video, a robust position tracking control problem for a unicycle mobile robot is presented. To this aim, a Super-Twisting-based Controller is designed. The results show the performance for different desired trajectories. For more information, check out the cite at the end of this description. 

En este video se presentan el problema de seguimiento de trayectorias para un robot móvil tipo uniciclo. Para este propósito se diseña un controlador basado en el algoritmo Super-Twisting. Los resultados muestran el desempeño para diferentes trayectorias deseadas. 

P. Rochel, H. Ríos, M. Mera and A. Dzul. “Trajectory Tracking for Uncertain Unicycle Mobile Robots: A Super–Twisting Approach”. Control Engineering Practice 122, 2022, 105078.  

Fault Accommodation Control for Trajectory Tracking in Quad-Rotors

An actuator fault accommodation controller is developed to solve the trajectory tracking problem in Quad-Rotors under the effects of faults in multiple actuators and external disturbances. 

The proposed fault accommodation approach is composed of a fault identification module and a baseline robust nominal controller. The fault identification module is based on a finite-time sliding-mode observer that provides a set of residuals using only the output information. The fault accommodation strategy uses fault identification to partially compensate the actuator faults allowing the usage of a baseline robust-nominal controller that deals with external disturbances.

Romeo Falcón, Héctor Ríos, Alejandro Dzul “An Actuator Fault Accommodation Sliding-Mode Control Approach for Trajectory Tracking in Quad-Rotors”. In the 60th IEEE Conference on Decision and Control (CDC), Austin, Texas, USA, 2021, pp. 7100–7105.