Desarrollo de un prototipo de vehículo autónomo semi-inteligente basado en Arduino

167 Pages·2016·8.2 MB·Spanish

EscuelaTécnicaSuperiordeIngenieríaInformática
UniversitatPolitecnicadeValencia
Desarrollo de un prototipo de vehículo autónomo
semi-inteligente basado en Arduino
PROYECTO FINAL DE CARRERA
IngenieríaInformática
Autor: TomásNavarroCosme
Director: JoaquínGraciaMorán
Codirector: JuanCarlosRuizGarcía
Septiembrede2016

.
Abstract
ThisprojectpresentsthedesignandimplementationontheArduinoplatformofseveralbasical-
gorythmsrelatedwithsomefunctionalitiesneededintheautomotiveautonomousnavigation,likeline
tracking,lightseekingandobstacleavoidance. Theimplementationshavebeendoneintwodifferent
prototipes, withdissimilarphysicalandmovementcharacteristics, andwithdifferentkindofsensors,
soeachprototipehasneeditsownimplementationofeachfunctionality,requiringsometimesthatthe
algorythmitselftobedistinct.
Besides,thesebasicalgorythmshasbeencombinedtoobtainaworkingprototipeofacarwithAdap-
tiveCruiseControl,whichinteractinreal-timewiththeothercarinthesamecircuit.
Keywords: Arduino,ADAS,ACC,AdaptiveCruiseControl,linetracking,obstacleavoidance,security,al-
gorithm,automotive,automation
Resumen
EnestePFCsepresentaeldiseñoeimplementaciónenlaplataformadeArduinodevariosalgo-
ritmosbásicosrelacionadosconalgunasfuncionalidadesnecesariasparalanavegaciónautónomade
vehículos,talescomoelseguimientodetrayecto,elguiadoporluz(deteccióndeluminosidad),ylaevi-
tacióndeobstáculos.Lasimplementacionessehanrealizadoendosprototiposdiferentes,condistintas
característicasfísicasydemovimiento,ycondiferentessensores,detalformaquecadaprototipoha
necesitadosupropiaimplementacióndecadafuncionalidad,inclusoavecesconalgoritmodiferente.
Además, esos algoritmos básicos se han combinado para obtener un prototipo funcional de un
coche con Control de velocidad adaptativo, el cual interactua en tiempo real con el otro vehículo en
elmismocircuito.
Palabrasclave:Arduino,ADAS,ACC,Controldevelocidadadaptativo,seguimientodetrayecto,evitación
deobstáculos,seguridad,algoritmo,automoción,automatización
I

ÍNDICE ABREVIADO
Índiceabreviado · III
Índicegeneral · V
Índicedefiguras · IX
Índicedetablas · X
Índicedelistadosdecódigo · X
1 Introducción · 1
2 Conocimientosprevios · 3
3 Especificaciónderequisitos · 17
4 Implementación · 23
5 Resultados · 59
6 Conclusiones · 81
7 Trabajofuturo · 83
Anexos · 85
A Seguimientodetrayecto:conexionadosycódigos · 87
B Seguimientodeluz:conexionadoycódigo · 99
C Evitacióndeobstáculos:conexionadoycódigo · 107
D ACC:conexionadoycódigo · 125
Glosario · 147
Siglas · 148
Bibliografía · 151
III

ÍNDICE GENERAL
Índiceabreviado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III
Índicegeneral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V
Índicedefiguras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX
Índicedetablas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . X
Índicedelistadosdecódigo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . X
1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 Conocimientosprevios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1. Laautomatizaciónenelsectordelautomóvil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.1. Brevehistoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.2. Organizacionesdelsectordelaautomoción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2. Tendenciaactual:hacialanavegaciónautónoma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.1. Nivelesdeautomatizacióndelaconducciónautónoma . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.2. Clasificacióndelossistemasavanzadosdeasistenciaalconductor(ADAS) . . . . . 8
2.2.3. FuentesdeinformaciónsobreADAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3. ACC:elcontroldevelocidadadaptativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.1. EvolucióndelACC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.2. TérminosdirectamenterelacionadosconelACC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.3. IntegracióndelasfuncionalidadesbásicasdelACC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.3.1. Seguimientodetrayecto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3.3.2. Deteccióndevariacióndelailuminación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3.3.3. Evitacióndeobstáculos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4. Seguridadyfiabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4.1. Seguridadvial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4.2. Seguridaddelsoftware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4.3. Ciberseguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4.4. Fiabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.5. Desarrolloexperimentalconprototipos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.5.1. Escalasdeprototipado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.5.2. Aplicacióndelateoríadecontrol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.5.3. Prototipadoaescalapequeña . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3 Especificaciónderequisitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.1. Especificacióntécnicadelaplataformahardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2. Seguimientodetrayectosbasadoenunalínea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
V
3.3. Seguimientodeluzydeteccióndeniveldeluminosidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.4. Evitacióndeobstáculos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.5. Controldevelocidadadaptativo(ACC). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4 Implementación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.1. Plataformahardware:Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.1.1. Arduino:laplataformaopenhardwaremásextendida . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.1.2. RazonesdelaseleccióndelaplataformaArduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.1.3. Característicasdelosprototiposutilizados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.1.3.1. Vehículodetraccióndedosruedasyunúnicoejedegiro(SunFounder™) 27
4.1.3.2. Vehículo de tracción a las cuatro ruedas, fijas, con capacidad rotatoria
(4WD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.2. Seguimientodeuntrayectodefinidoporunalínea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.2.1. CocheSunFounder™ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.2.1.1. Especificacioneshardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.2.1.2. Algoritmoconsensoresanalógicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.2.1.2.1. Descripcióngeneral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.2.1.2.2. Adaptaciónespecíficaalprototipo . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.2.1.2.3. Formalizacióncomputacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.2.1.2.4. Comentariossobreelalgoritmo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.2.2. Coche4WD,concuatroruedasmotricesycapacidadauto-rotante . . . . . . . . . . 36
4.2.2.1. Especificacioneshardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.2.2.2. Algoritmoconsensorestodo/nada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.2.2.2.1. Descripcióngeneral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.2.2.2.2. Adaptaciónespecíficaalprototipo . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.3. Seguimientodeluz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.3.1. CocheSunFounder™ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.3.1.1. Especificacioneshardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.3.1.2. Algoritmo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.3.1.2.1. Descripcióngeneral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.3.1.2.2. Adaptaciónespecíficaalprototipo . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.3.1.2.3. Formalizacióncomputacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.3.1.2.4. Comentariossobreelalgoritmo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.4. Evitacióndeobstáculos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.4.1. Algoritmoparasensorestodo/nada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.4.1.1. Especificacioneshardware:prototipoSunFounder™ . . . . . . . . . . . . 42
4.4.1.1.1. Objetivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.4.1.1.2. Condicionesyrestricciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.4.1.1.3. Principiosdelalgoritmo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.4.1.1.4. Descripcióndelalgoritmo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.4.1.1.5. DiagramaBPMNdelalgoritmo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.4.1.1.6. Diseñodelaimplementación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.4.1.1.7. Descripcióndelaimplementación . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.4.1.1.8. Adaptaciónespecíficaalprototipo . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.4.2. Algoritmoparasensoresanalógicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.4.2.1. Especificacioneshardware:prototipo4WD . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.4.2.1.1. Descripcióngeneraldelalgoritmo . . . . . . . . . . . . . . . . 48
VI
4.4.2.1.2. Descripcióndelosparámetrosprincipales . . . . . . . . . . . 49
4.4.2.1.3. Adaptaciónespecíficaalprototipo . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.4.2.1.4. Formalizacióncomputacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.4.2.2. Diseñodelaimplementación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.5. Controldevelocidadadaptativo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.5.1. Especificacioneshardware:prototipoSunFounder™ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.5.2. Especificacioneshardware:prototipo4WD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.5.3. Algoritmodelcontroldevelocidadadaptativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.5.3.1. Descripcióngeneral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.5.3.2. Formalizacióndelalgoritmo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.5.3.3. Descripcióndelosparámetrosprincipales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.5.3.4. Adaptaciónespecíficaalprototipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.1. Montaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.1.1. Incidenciasenelmontaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.1.2. Conexionados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.2. Seguimientodetrayecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.2.1. PrototipoSunFounder™ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.2.1.1. Pruebasconotrasplacashardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.2.1.1.1. Utilizacióndeunaotratarjetadeexpansiónparasensores . . 62
5.2.1.1.2. ArduinoMega2560. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.2.1.1.3. IntelGalileo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.2.2. Prototipo4WD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.2.3. Conclusióndelaprueba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.3. Seguimientodeluz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.3.1. Montajesrealizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.3.2. Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.3.3. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.4. Evitacióndeobstáculos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.4.1. PrototipoSunFounder™ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.4.1.1. Pruebasconelcódigooriginal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.4.1.2. Pruebasconelnuevoalgoritmopropuesto . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.4.1.3. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.4.2. Prototipo4WD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.4.3. Comparaciónentrelasdiferentespruebas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.5. Controldevelocidadadaptativo(ACC). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.5.1. Diseñoexperimental. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.5.2. Montajesdelosprototipos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.5.2.1. Eleccióndelossensoresdedeteccióndeobstáculos . . . . . . . . . . . . . 72
5.5.2.2. Nuevasmodificacionesenelmontaje. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.5.3. Realizaciónexperimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.5.3.1. ConocimientodeladinámicadelosmotoresDC . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.5.3.2. ProblemasalincluirunnuevonodoenelbusIIC . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.5.3.3. Parametrizacióndelapartedelseguimientodelíneas . . . . . . . . . . . . 76
5.5.3.4. ParametrizacióndelapartedelcontrolPID . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.5.3.5. Ajustedevelocidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
VII
5.5.4. ParametrizacióndefinitivadelACC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.5.5. Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.5.6. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
7 Trabajofuturo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Anexos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
A Seguimientodetrayecto:conexionadosycódigos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
A.1. PrototipoSunFounder™ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
A.1.1. Conexionado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
A.1.2. CódigoenArduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
A.2. Prototipo4WDcontressensoresporIR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
A.2.1. Conexionado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
A.2.2. CódigoenArduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
B Seguimientodeluz:conexionadoycódigo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
B.1. SeguimientodeluzenelSunFounder™ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
B.1.1. Conexionado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
B.1.2. CódigoenArduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
C Evitacióndeobstáculos:conexionadoycódigo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
C.1. PrototipoSunFounder™ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
C.1.1. Conexionado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
C.1.2. CódigoenArduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
C.2. Prototipo4WDcontressensoresporIR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
C.2.1. Conexionado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
C.2.2. CódigoenArduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
D ACC:conexionadoycódigo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
D.1. PrototipoSunFounder™ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
D.1.1. CódigoenArduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
D.2. Prototipo4WDparaelACC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
D.2.1. Conexionado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
D.2.2. CódigoenArduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
Glosario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
Siglas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
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