Estrategia de enrutamiento para la maniobra del enlace a un convoy de vehículos en entornos urbanos, robusta a la incertidumbre en los tiempos de recorrido

Abstract

Esta tesis propone una estrategia de enrutamiento óptima para unidades de transporte inteligente que se mueven de manera autónoma por un entorno urbano conocido. El entorno está definido por un conjunto de calles y cruces (nodos), y en su interior un grupo de unidades móviles independientes se encuentran realizando tareas específicas. Dicho entorno está rodeado por una ruta periférica por la que se mueve continuamente un convoy compuesto por un líder y un número determinado de unidades seguidoras, sin enlace mecánico entre ellos. La misión del convoy es concentrar las unidades independientes antes y después de que hayan realizado, de forma independiente, su tarea. Básicamente, el trabajo se centra en dar solución a la maniobra de enlace consistente en lograr que la unidad independiente (perseguidora), partiendo de su ubicación actual en el interior del mapa, logre alcanzar el nodo periférico idóneo para unirse al convoy. Considerando que este último está limitado a circular por la ruta externa y por tanto no tiene acceso al interior del entorno, el enlace se realizará en uno de los nodos periféricos. El convoy sigue indefinidamente su trayectoria, por lo que la maniobra se considera exitosa siempre que la unidad independiente alcance el nodo de enlace antes que el convoy. El primer objetivo es resolver la maniobra de enlace considerando conocidos los tiempos de recorrido entre los nodos del mapa. Objetivo que incluye dos fases: cálculo del nodo óptimo de enlace y de la ruta que lleve a la unidad perseguidora hasta el mismo. Se entiende por nodo óptimo de enlace aquél que garantiza un tiempo mínimo de maniobra. Además, se ha diseñado un algoritmo de enrutamiento que explora el menor número de nodos posibles lo que garantiza su eficiencia computacional y su idoneidad para su ejecución en tiempo real, de especial interés en entornos complejos. El segundo objetivo es extender estos algoritmos a un entorno donde los tiempos de recorrido entre nodos no son conocidos. Esta incertidumbre, inherente a los tiempos de recorrido de todas las unidades, es propia de escenarios de transporte reales y tiene su origen en diversas fuentes como densidad variable de tráfico, condiciones meteorológicas, momento del día, etc. Para caracterizarla se ha propuesto un modelo gaussiano, donde los tiempos de recorrido son tratados como variables aleatorias parametrizadas por su valor medio y varianza. Por otra parte, este comportamiento no determinista impide garantizar de forma absoluta el éxito seguridad la maniobra de enlace. Por ello, se introduce el parámetro de diseño "Factor de Riesgo", que limita la probabilidad de fallo de la maniobra de enlace. Este factor condiciona además el tiempo de maniobra y el número de re-planificaciones intermedias hasta llegar al nodo final. En la solución propuesta se incluye un centro remoto al que están conectadas de forma inalámbrica todas las unidades de transporte. En el centro remoto se registran los tiempos de recorrido entre nodos consecutivos proporcionados por las unidades de transporte y se estiman los parámetros estadísticos temporales entre nodos no consecutivos mediante técnicas recursivas de Programación Dinámica. Finalmente, se ha procedido a la validación experimental de la propuesta global. En una primera fase se ha recurrido a la herramienta Player/Stage para validar mediante simulación los cálculos desarrollados a partir de un mapa diseñado al efecto. Superada esta, se ha utilizado un demostrador real donde la función de unidad líder y unidad perseguidora ha sido desarrollada por robots Pioneer P3-DX.