Sensado inercial en 3-D, utilizando giroscopios, para la navegación de un vehículo autónomo-Edición Única

Esta tesis describe la arquitectura de un Sistema de Sensado Inercial (SSI), compuesta por giroscopios, como complemento del sistema de navegación en 2-D de un Vehículo Autónomo (VA). De esta manera, se le añade la noción de la tercera dimensión al sistema de navegación del VA, capacitándolo para detectar elevaciones y declives en trayectos irregulares. Como parte del desarrollo de este trabajo de tesis se llevó a cabo la caracterización del giroscopio, con el fin de obtener conocimiento del comportamiento del sensor en diferentes situaciones como son: la diferencia en la medición de velocidad angular en ejes verticales como horizontales; la diferencia de estimación a medida que se aleja del eje de giro; y por último se comprobó la estimación del sensor ante una secuencia de varias velocidades angulares en un solo experimento. En la implementación del último experimento se obtuvo el modelo de ajuste y calibración de la salida del giroscopio. Basados en el modelo cinemático en 2-D del VA, el cual comprende las variables (x, y, θ), se desarrolló un modelo en 3-D que integra la estimación de seis parámetros (x, y, z, α, β, θ). Este nuevo modelo permite la navegación en 3-D en ambientes irregulares. Además se integró un modelo del cálculo de incrementos (∆x,∆y,∆z,∆α,∆β,∆θ), con los que se actualiza el valor de los parámetros de posición cada periodo de muestreo. La arquitectura desarrollada la conforman tres componentes principales: un VA, una computadora y el SSI. La computadora funge como control maestro de todo el arreglo, con la que se logra la interacción entre el usuario y el VA. El SSI está compuesto por giroscopios, filtros análogos, algoritmos de ajuste y calibración, así como un método de integración y algoritmos de estimación de los parámetros (α, β, z). Dicho SSI fue integrado al VA como sistema de sensado adicional, para la medición de velocidades angulares en los ejes longitudinal y transversal del vehículo. El SSI utiliza el método de integración trapezoidal, para obtener el área bajo la curva de las señales de velocidad angular provenientes de los giroscopios, obteniendo los ángulos de balanceo y cabeceo (α, β) en los ejes longitudinal y transversal del VA. La estimación de estos ángulos aunado al modelo en 3-D, se utilizó para calcular la altura “z”, en el recorrido del VA. De la misma manera, haciendo uso de la estimación de los ángulos mencionados anteriormente y de un modelo compuesto por polinomios de ajuste, se compensó la medición del ángulo de orientación θ, realizada por la brújula electrónica. Para la validación experimental se acondicionó un escenario en el exterior, con dos rampas, la primera con ángulos de elevación e inclinación de 11° y -11°, y una altura de 12.76 cm; y la segunda con ángulos 5° y -8° para las pendientes en sus planos de elevación e inclinación, y una altura de 6.5 cm. Haciendo uso del SSI montado en el VA, se realizaron estimaciones de α, β y z, así como el ajuste de θ, en diferentes recorridos.