Sistema de control de posicionamiento para realizar la carga inalámbrica y automática de un vehículo terrestre

Abstract

El proyecto tiene como objetivo principal el diseño y ejecución de un sistema de detección y control autónomo del posicionamiento de vehículos o robots terrestres para poder realizar un acercamiento a la base de carga inalámbrica cuando el sensor de corriente detecte que la batería se está agotando. El vehículo utilizado en el trabajo es el mismo empleado en las prácticas de laboratorio de asignaturas como Regulación Automática o Control Digital en ICAI.

El vehículo consta de dos ruedas traseras accionadas eléctricamente por motores DC. Mediante un sistema de control digital, implantado por un Raspberry Pi 3B+, que se denomina en este trabajo como Raspberry Pi principal, se gobierna tanto la tensión común, para hacerlo avanzar, como diferencial, girar sobre sí mismo con un par, aplicada a los motores. La velocidad angular de los motores de corriente continua se mide con un encoder magnético. Es a través de las medidas de velocidad angular que el control estima la velocidad de marcha lineal y ángulo de giro del vehículo.

El sistema de cámaras externo para la localización de posición del vehículo está implementado mediante las cámaras de captura de movimiento OptiTrack. Este sistema detecta mediante ondas infrarrojas los marcadores esféricos del vehículo formando un sólido rígido a través del software Motive, desarrollado específicamente para este hardware, que establece la posición y rotación del vehículo en un entorno tridimensional limitado. Por otra parte, el sistema de cámara interno se refiere al módulo de cámara Raspberry Pi montado en la parte superior del vehículo en la Raspberry Pi secundaria y proporciona información sobre el posicionamiento y orientación de este respecto a su distancia a un tablero mediante la librería de visión artificial OpenCV (Open Source Computer Vision).

Respecto a la base de carga inalámbrica se plantean dos opciones. Una elección posible es un kit de transferencia inalámbrica TDK, que tiene un precio inferior a su contraparte, pero una implementación sencilla; o en el kit de carga RENESAS , con especificaciones más refinadas y potentes, aunque con un coste mayor.

The project aims to design and implement a system for autonomous detection and control of the positioning of ground vehicles or robots to approach the wireless charging base when the current sensor detects that the battery runs low. The position and orientation of the vehicle is monitored by an external tracking camera system and, independently, a camera located in the vehicle to establish the distance and relative angles with respect to a checkerboard. This vehicle is the used in the laboratory sessions of subjects such as Automatic Regulation or Digital Control at ICAI.

The vehicle consists of two rear wheels electrically driven by DC motors. By means of a digital control system, implemented through a Raspberry Pi 3B+ named in this work as the main Raspberry Pi, the common voltage makes it move forward, and a differential voltage makes it turn with an applied torque. The angular velocity of DC motors is measured with a magnetic encoder. It is through the angular velocity measurements that the control estimates the linear running speed and angle of rotation of the vehicle.

The external camera system for vehicle positioning is implemented by means of OptiTrack motion capture cameras. This system uses infrared waves to detect the vehicle's spherical markers considered as a rigid solid through the Motive software, developed specifically for this hardware, which establishes the vehicle's position and rotation angle in a limited three-dimensional domain. On the other hand, the internal camera system, referred as the Raspberry Pi camera module mounted on top of the vehicle on the secondary Raspberry Pi, provides information about the position and orientation of the vehicle with respect to its distance to a dashboard using the OpenCV machine vision library.

One possible choice for a charging base is the TDK wireless power transfer kit, which has a lower price than its counterpart, but a simple implementation, or the RENESAS charging kit, with more refined and powerful specifications, but with a higher cost.