Planeamiento de movimientos del robot explorador RE1 usando inteligencia computacional implementada en un FPGA

Abstract

Los algoritmos de inteligencia computacional permiten a un robot resolver problemas de manera semejante a los sistemas biológicos, una de cuyas propiedades es la adaptabilidad. Tomando esta referencia, se busca demostrar en esta tesis que los algoritmos de inteligencia computacional permiten el planeamiento de movimientos de un robot explorador, que sería llamado en adelante robot RE1, con lo que este sería capaz de generar autónomamente sus pasos, de manera que su velocidad de desplazamiento sea mejorada en cada intento. Para alcanzar este objetivo, se han desarrollado dos algoritmos para la generación de pasos que han sido implementados por separado. El primero se denomina \algoritmo para generar posiciones". En este algoritmo, el robot RE1 se traslada usando una secuencia de posiciones que ha sido aprendida en una red neuronal. La secuencia es continuamente mejorada mediante ensayos de prueba y error que consisten en realizar pequeños cambios a la red y evaluar la performance resultante. El segundo algoritmo se ha denominado \algoritmo para generar desplazamientos". En este algoritmo, el robot RE1 planea sus movimientos basándose en una función, implementada en una red neuronal, que relaciona la variación de su posición respecto a un sistema de referencia externo con la posición de un eslabón suyo respecto a otro, es decir, relaciona la variación de su desplazamiento con la variación de la posición de sus eslabones. Con esta función, el robot RE1 puede trasladarse al realizar una búsqueda, mediante algoritmos genéticos, de la posición siguiente de las articulaciones que maximice el desplazamiento de él. Hay que resaltar que ambos algoritmos se caracterizan por ser variables ya que se van adaptando en cada iteración o ciclo de operación al entorno hasta optimizarse. Además, ambos algoritmos han sido implementados en el dispositivo FPGA (arreglo programable de compuertas lógicas) debido a su versatilidad para realizar operaciones en forma simultánea y a su velocidad de procesamiento. Por otro lado, esta tesis tiene el propósito de exponer dos algoritmos en tiempo real que, por un lado, permiten a un robot explorador articulado generar autónomamente pasos y que, por el otro lado, han sido implementados en un controlador digital dispuesto en el mismo robot. Además, estos algoritmos también tienen la intención de contribuir con investigaciones en la Universidad Nacional de Ingeniería en temas de inteligencia computacional y ramas afines. De esta forma, la tesis sería desarrollada en capítulos y a continuación se describen brevemente cada uno de ellos. En el Capítulo 1, se dan a conocer las investigaciones o trabajos semejantes realizados anteriormente, la justificación, el planteamiento del problema, los objetivos tanto el general como los específicos, los alcances y las limitaciones de la investigación. En el Capítulo 2, se desarrollan dos algoritmos para el planeamiento del movimiento del robot: el \algoritmo para generar posiciones" y el \algoritmo para generar desplazamientos". Igualmente, se exponen los fundamentos en los cuales están basados. En el Capítulo 3, se describen los algoritmos de funcionamiento de los sensores y los actuadores. Además, se detalla la función que cumplen en el robot RE1, el principio de funcionamiento y los correspondientes diagramas de flujo de cada sensor y actuador. En el Capítulo 4, se especifican las operaciones complementarias para el desarrollo de los algoritmos de planeamiento de movimientos. Estas operaciones tienen en cuenta el funcionamiento y las restricciones del FPGA SPARTAN-3E. En el Capítulo 5, se presentan las simulaciones y los resultados obtenidos para cada algoritmo de planeamiento de movimientos. Finalmente, se expresan las conclusiones, la bibliografí³a, los apéndices, con información específica del desarrollo de la tesis, y los anexos, con detalles técnicos de los sensores y actuadores implementados en el robot RE1.