Sistema de control para la optimización de trayectorias en plataformas móviles mediante computadoras industriales (IPCS) y algoritmos de aprendizaje profundo

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2024-08

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Universidad Técnica de Ambato. Facultad de Ingeniería en Sistemas, Electrónica e Industrial. Carrera de Telecomunicaciones

Abstract

The growth in global demand for industrial robots is revolutionizing the manufacturing industry, underscoring the need to develop efficient and safe autonomous navigation systems. Traditional methods of trajectory optimization have difficulty adapting to unforeseen changes in dynamic environments, these problems reduce operational efficiency in the industrial industry. This project seeks to optimize the trajectories of the omnidirectional mobile platform of the KUKA youBot robot using an industrial computer (IPC) and deep learning algorithms. These algorithms allow the robot to learn and generalize movement patterns by optimizing trajectories in real time. This system consists of two nodes, the KUKA youBot robot as the master node and the IPC as the publisher node. To configure communication between nodes, the TCP/IP protocol and ROS functionalities, such as rosmaster URIs and ROS_IP, are used. In the master node, it performs data sampling with a LIDAR sensor and executes the generated trajectories, while the publisher node selects the environment and performs the execution of the deep learning algorithms. In system testing, the DQN algorithm excelled in static scenarios with high peaks in Q-values. However, the Dueling DQN algorithm showed greater robustness and long-term stability, although it required more time and training episodes. In dynamic environments, Dueling DQN earned better rewards, excelling in situations with constant and variable changes. The efficient communication between the robot and the IPC reached an efficiency of 96.92% allowing accurate coordination in real time.

Description

El crecimiento de la demanda mundial de robots industriales está revolucionando la industria manufacturera subrayando la necesidad de desarrollar sistemas de navegación autónoma eficientes y seguros. Los métodos tradicionales de optimización de trayectorias tienen dificultades para adaptarse a cambios imprevistos en entornos dinámicos, estos problemas reducen la eficiencia operativa en la industrial. Este proyecto busca optimizar las trayectorias de la plataforma móvil omnidireccional del robot KUKA youBot mediante una computadora industrial (IPC) y algoritmos de aprendizaje profundo. Estos algoritmos permiten al robot aprender y generalizar patrones de movimiento optimizando trayectorias en tiempo real. Este sistema consta de dos nodos, el robot KUKA youBot como nodo maestro y la IPC como nodo publicador. Para configurar la comunicación entre nodos se utiliza el protocolo TCP/IP y funcionalidades de ROS, como rosmaster URI y ROS_IP. En el nodo maestro ese realiza el muestreo de datos con un sensor LIDAR y ejecuta las trayectorias generadas, mientras que en el nodo publicador se selecciona el entorno y se lleva a cabo la ejecución de los algoritmos de aprendizaje profundo. En las pruebas del sistema, el algoritmo DQN sobresalió en escenarios estáticos con picos altos en valores Q. Sin embargo, el algoritmo Dueling DQN mostró mayor robustez y estabilidad a largo plazo, aunque requirió más tiempo y episodios de entrenamiento. En entornos dinámicos, Dueling DQN obtuvo mejores recompensas, destacándose en situaciones con cambios constantes y variables. La comunicación eficiente entre el robot y la IPC alcanzó una eficiencia del 96.92% permitiendo una coordinación precisa en tiempo real.

Keywords

KUKA YOUBOT, COMPUTADORA INDUSTRIAL, IPC, SENSOR LIDAR, ROS, APRENDIZAJE PROFUNDO, OPTIMIZACIÓN DE TRAYECTORIAS

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