Aplicación del algoritmo RRT a la planificación de movimientos en robots no holónomos

294 Pages·2011·6.76 MB·Spanish

Universidad de Huelva

Departamento de Ingeniería Electrónica, de Sistemas

Informáticos y Automática

Nuevas aportaciones en algoritmos de planificación para
la ejecución de maniobras en robots autónomos no
holónomos

Memoria para optar al grado de doctor
presentada por:

Diego Antonio López García

Fecha de lectura: 21 de julio de 2011

Bajo la dirección del doctor:

Fernando Gómez Bravo

Huelva, 2012

ISBN: 978-84-15147-78-7
D.L.: H 53- 2012
Universidad
de Huelva

Tesis Doctoral

Título:
Nuevas aportaciones en algoritmos de
planificación para la ejecución de maniobras en
robots autónomos no holónomos.

Autor:
D. Diego A. López García

Dirigido por:
Dr. D. Fernando Gómez Bravo

Huelva, 8 de Junio del 2011

A mis padres

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ii
Agradecimientos

Deseo expresar mi agradecimiento en primer lugar a Fernando Gómez Bravo, por
su implicación más allá de lo esperado en un director de tesis, su acertada orientación y
su ingente trabajo.
A Aníbal Ollero y Federico Cuesta, por la atención recibida, la cooperación y la
eficaz gestión de recursos y contingencias.
A Francisco Real, cuya generosidad en el esfuerzo y disposición han excedido
cualquier expectativa.
A José Manuel Matamoros, Luís Merino, Roberto Conde, Pablo Soriano y al resto
de compañeros cuya colaboración ha sido indispensable para el desarrollo de los
experimentos con el robot ROMEO-4R.
A José Manuel Martín-Ramos, por sus apreciadas aportaciones y su estímulo.
A Ismael López y Antonio Pérez-Aranda, por la búsqueda de la calidad en el
trabajo.
Al IPFN (Instituto de Plasmas e Fusāo Nuclear), y en especial a Alberto Vale, por
su colaboración aportando los datos respecto al proyecto ITER y su actitud abierta,
animando el diálogo científico.
A Estefanía Cortés, Tomás Mateo, Manuel Vasallo y resto de compañeros de
departamento, por su flexibilidad y comprensión en la asunción de las tareas docentes, y
el buen clima gracias al cual ha sido más llevadera la elaboración de esta tesis.
Y por último y en especial a mi familia, por tolerar tantas horas robadas.

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Índice de contenidos
Agradecimientos .............................................................................................. iii
Índice de contenidos ......................................................................................... v
CAPÍTULO 1 Introducción ............................................................................. 1
1.1 Introducción ................................................................................................. 1
1.2 Objetivos de la investigación ....................................................................... 5
1.3. Marco de realización .................................................................................. 6
1.4. Aportaciones .............................................................................................. 7
1.4 Estructura del documento .......................................................................... 10
CAPÍTULO 2 Algoritmos de planificación .................................................. 13
2.1 Introducción ............................................................................................... 13
2.2 Grafos de visibilidad .................................................................................. 17
2.3 Diagramas de Voronoi ............................................................................... 21
2.4. Descomposición en celdas. ...................................................................... 23
2.5. Campos de potencial ................................................................................ 29
2.6 Mapas probabilísticos (PRMs) ................................................................... 34
2.7 Rapidly Exploring Random Tree ................................................................ 36
2.7.1 Introducción ........................................................................................ 36
2.7.2 Algoritmo RRT básico ......................................................................... 37
2.7.3 Algoritmos RRT de consulta única ...................................................... 44
2.7.4 Algoritmo RRT-Bidirectional ................................................................ 45
2.7.5 Algoritmo RRT-ExtCon ....................................................................... 47
2.7.6 Otras modalidades de RRT ................................................................ 48
2.7.7 Postprocesado .................................................................................... 52
2.8. Conclusiones ............................................................................................ 56
v
CAPÍTULO 3 VODEC .................................................................................... 59
3.1 Introducción ............................................................................................... 59
3.1.1. Antecedentes sobre algoritmos de Voronoi........................................ 62
3.1.2. Desarrollo del capítulo ....................................................................... 64
3.2 Definiciones y propiedades básicas ........................................................... 65
3.2.1. Diagramas de Voronoi ....................................................................... 65
3.2.2. Métrica Manhattan ............................................................................. 66
3.2.3. Descomposición vertical: Celda y grafo de adyacencia ..................... 68
3.2.4. Función de flanco .............................................................................. 70
3.2.5. Línea de cresta .................................................................................. 74
3.3 El algoritmo ............................................................................................... 78
3.3.1. Fase 2: Propagación de la información métrica ................................. 80
3.3.2. Fase 3: Obtención del Diagrama de Voronoi ..................................... 83
3.4. Mejoras aportadas por VODEC para la planificación ................................ 91
3.5 Aplicación de VODEC a escenarios dinámicos .......................................... 96
3.6. Propiedades ........................................................................................... 100
3.6.1. Tiempo de cómputo ......................................................................... 100
3.6.2. Computación paralela ...................................................................... 101
3.6.3. Áreas equidistantes ......................................................................... 102
3.7 Conclusiones ........................................................................................... 103
CAPÍTULO 4 Planificación de trayectorias y maniobras en sistemas no
holónomos ............................................................................ 107
4.1 Introducción ............................................................................................. 107
4.2 Restricciones cinemáticas ....................................................................... 108
4.3 Caracterización cinemática de robots móviles rodados ........................... 110
4.3.1 Cinemática del vehículo diferencial ................................................... 112
vi
4.3.2 Cinemática del vehículo tipo Ackerman ............................................ 114
4.4 Maniobras Restringidas ........................................................................... 117
4.4.1. Introducción ..................................................................................... 117
4.4.2 Maniobras restringidas del robot diferencial ...................................... 120
4.4.3 Maniobras restringidas del vehículo tipo Ackerman .......................... 123
4.4.4 Maniobras de conexión del vehículo tipo Ackerman ......................... 127
4.5 Envolvente poligonal ............................................................................... 132
4.6 Planificación con obstáculos .................................................................... 141
4.6.1 Introducción ...................................................................................... 141
4.6.2 El algoritmo....................................................................................... 142
4.7 Conclusiones ....................................................................................... 146
CAPÍTULO 5 Maniobras restringidas sobre diferentes planificadores... 149
5.1 Introducción ............................................................................................. 149
5.2 Aplicación sobre el algoritmo RRT ........................................................... 150
5.2.1 RRT adaptado a sistemas no holónomos ......................................... 150
5.2.2 RRT con maniobras restringidas ....................................................... 153
5.3 Postprocesado aplicado a otros planificadores ........................................ 163
5.3.1 Eficacia ............................................................................................. 163
5.3.2 Calidad ............................................................................................. 165
5.3.3 Tiempo de cómputo .......................................................................... 167
5.3.4 Conclusiones .................................................................................... 168
5.4 VODEC con maniobras restringidas ........................................................ 169
5.5 Comparativa entre VODEC y otros planificadores ................................... 170
5.6 Aplicación de VODEC en un escenario real............................................. 173
5.7 Conclusiones ........................................................................................... 175

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