Aplicación de la dinámica multicuerpo en tiempo real a la simulación y el control de automóviles

Abstract

[Resumen] La dinámica de sistemas multicuerpo permite realizar modelos detallados de sistemas mecánicos complejos, como puede ser un vehículo automóvil. Las formulaciones desarrolladas durante los últimos años permiten llevar a cabo simulaciones muy eficientes, que incluso hacen posible calcular el movimiento por debajo del tiempo real. Por este motivo, la dinámica multicuerpo es una herramienta cada vez más útil tanto en el diseño del automóvil como en el de sus sistemas de control. En esta tesis se presenta, como ejemplo de aplicación, el desarrollo de un simulador de conducción de bajo coste y su empleo en el diseño de controladores del vehículo simulado. La formulación empleada en el presente trabajo ha sido desarrollada con anterioridad en el Laboratorio de Ingeniería Mecánica de la Universidad de La Coruña. Se trata de una formulación aumentada de Lagrange de índice 3 con proyecciones en velocidades y aceleraciones, con la regla trapezoidal como integrador, y que ha demostrado ser robusta y eficiente. En primer lugar se describe el vehículo a simular: un prototipo formado por un chasis de tubos y elementos tomados de vehículos comerciales, construido en el Laboratorio. A continuación se detalla su modelización y la caracterización de las fuerzas que actúan sobre él: suspensión, contacto con el suelo, fuerzas de aceleración y frenado, colisiones, etc. A partir del modelo computacional del vehículo, se desarrolla un simulador de conducción, que permite evaluar la factibilidad de las maniobras a seguir por el vehículo guiado por los controladores, y comparar su realización con las llevadas a cabo por un conductor humano. Se trata de un simulador de bajo coste, que toma sus inputs de un volante y unos pedales del tipo de los empleados en los juegos de ordenador. La salida gráfica se puede realizar a través de la pantalla del ordenador, o mediante unas gafas de realidad virtual, incorporando un sensor para detectar el movimiento de la cabeza del conductor. Se han desarrollado varios entornos para la simulación: una recreación de un barrio de Ferrol, una representación del Circuito de Cataluña para simular varios vehículos como demostración de eficiencia, y un entorno con obstáculos (rampas, escaleras, etc.) en el que poder realizar maniobras bruscas para comprobar la robustez del modelo virtual. Para diseñar controladores, se han estudiado las diversas posibilidades de conexión del modelo computacional con Matlab, de las que Matlab Engine ha resultado ser la más adecuada. Se ha empleado la toolbox de Lógica Borrosa de Matlab, para desarrollar unos controladores borrosos que actúen sobre el volante y los pedales del vehículo y realizar, como ejemplo, dos maniobras de forma autónoma: recorrer una distancia recta de 20 m deteniéndose al completar esa distancia, y una trayectoria sinusoidal similar a la que seguiría el vehículo al eludir un obstáculo. Finalmente, con el fin de validar los controladores diseñados, se ha instrumentado el prototipo real y se ha desarrollado un algoritmo para la recuperación del movimiento. Este algoritmo se basa en un procedimiento odométrico que proporciona errores muy bajos en la localización del vehículo. También se ha instrumentado la actuación sobre el vehículo con vistas a su conducción autónoma, y se propone un algoritmo para la actuación.