Hoy en día, el interés por crear vehículos de conducción autónoma y sistemas de seguridad activa cada vez más sofisticados está creciendo enormemente, cobrando cada vez más importancia para el usuario final a la hora de decantarse por uno u otro modelo comercial. Si bien los vehículos de cuatro ruedas van por delante en lo que a estos sistemas se refiere, los desarrollos para vehículos de dos ruedas comienzan a ganar importancia dentro del sector.

La particularidad de los vehículos de dos ruedas en cuanto a comportamiento y estabilidad, hace que la tarea de diseñar sistemas de control activo, tales como sistemas ABS o sistemas de suspensión activa o semi-activa, sea particularmente desafiante. Empresas como BMW poseen prototipos de motocicletas autónomas con el fin de recopilar conocimientos adicionales sobre la dinámica de conducción para detectar situaciones peligrosas a tiempo y así ayudar al conductor con los sistemas de seguridad adecuados al girar en las intersecciones o al frenar repentinamente, por ejemplo.

EL PROYECTO

Pablo Rubial ha formado parte del equipo de cinco alumnos de 4º curso de grados de Ingeniería Mecánica e Ingeniería en Tecnologías Industriales de la Escuela Politécnica de Ingeniería de Ferrol, que ha desarrollado un proyecto cuya idea original consistía en “la construcción de una bicicleta capaz de autoestabilizarse siguiendo las referencias de velocidad e inclinación enviadas a través de una emisora radiocontrol, con las restricciones de no hacer ninguna modificación irreversible sobre la bicicleta (como realizar soldadura directa sobre el chasis). Todo ello con un presupuesto limitado.

Circular en bicicleta es un acto natural y relativamente sencillo para todo el mundo, pero si uno intenta explicarse a si mismo que acciones realiza para mantener el equilibrio y no caerse, la respuesta no es sencilla.

La dinámica de las bicicletas es un tema extremadamente complejo que se encuentra aún en estudio. Sin entrar en cuestiones físicas complejas, el principio básico de estabilización de una bicicleta es girar la horquilla en la dirección de la caída que se quiere evitar. Hagamos la analogía de mantener una escoba en equilibrio sobre la palma de nuestra mano y veremos como para mantenerla erguida, necesitaremos desplazar nuestra mano en la dirección de la caída de la escoba. En el caso de la bicicleta no podemos desplazar el suelo (palma de la mano en el caso de la escoba) en la dirección de la caída indeseada, pero sí que podemos girar el manillar en la dirección de la caída, lo que sería equivalente a desplazar el suelo. En este enlace, el profesor Arend Schwab de la Delft University of Technology, explica de una manera más profunda este principio de funcionamiento.

Diseño

En los primeros cuatro meses de trabajo se llevó a cabo el desarrollo y ajuste del controlador y la programación de un simulador con el fin de verificar su buen funcionamiento y estimar la potencia del motor que sería necesario implementar en la dirección.

El controlador no es más que un algoritmo matemático que se ejecuta en un minicomputador con capacidad de realizar cálculos en periodos de tiempo pequeños. Básicamente lo que realiza es calcular cómo de rápido y en qué sentido hay que girar el motor que hemos colocado en la dirección para estabilizar la bicicleta. Es decir, si la bicicleta se está cayendo hacía la derecha, este calcula como de rápido hay que girar la dirección hacia la derecha para estabilizar la bicicleta y lo mismo ocurre si la bicicleta se está cayendo hacia la izquierda. Se podría decir que este es el cerebro de la bicicleta.

A través del simulador, se simularon diferentes maniobras en un prototipo virtual de bicicleta, gracias a lo cual se pudo estimar la potencia que el motor debía tener para realizar las maniobras. Al utilizar un simulador evitamos utilizar el prototipo físico real, que podría resultar dañado al intentar maniobras que provocarían caídas.

Para que el controlador sea capaz de calcular cómo de rápido y en qué sentido tiene que girar la dirección, necesita conocer los valores de las siguientes variables:

• Velocidad de avance de la bicicleta: como de rápido se está moviendo la bicicleta hacia delante
• Ángulo de inclinación: como de inclinada se encuentra la bicicleta respecto a la vertical
• Velocidad de inclinación: como de rápido se está inclinando la bicicleta respecto a la vertical
• Ángulo de dirección: como de girado se encuentra el manillar
• Velocidad de dirección: como de rápido está girando el manillar

Para medir estas variables hay que dotar a la bicicleta de los sensores necesarios. Se podría decir que lo sensores sustituirían a los sentidos humanos (vista, tacto…). Uno de los grandes retos del proyecto fue medir el ángulo de inclinación, la problemática que existe en la medición de esta variable es que no existe un sensor que proporcione directamente la medida. Por ello, es necesario recurrir a lo que se conoce como observadores de estados, estos son herramientas que proveen una estimación del ángulo de inclinación a partir de una combinación de información proveniente de un modelo matemático de la bicicleta y de la información aportada por las medidas de algunos de los sensores. En concreto, el observador utilizado se conoce como filtro de Kalman. A modo de curiosidad, una de las aplicaciones más populares del filtro de Kalman fue su uso por los ingenieros de la NASA para calcular la posición de la nave espacial durante la misión APOLO.

Implementación

Los cuatro meses siguientes sirvieron para llevar a cabo la implementación del diseño conceptual. Aquí surgieron dos ramas claramente diferenciadas:

• Implementación de los sensores y diseño de las piezas (hardware), en la que se llevó a la realidad el diseño que se había concebido. Se fabricaron todas las piezas necesarias como la caja para introducir el sistema de control o el acople de dirección para colocar el motor. Todas estas piezas fueron fabricadas mediante una impresora 3D. A su vez también se implementaron los sensores necesarios para medir las variables anteriormente conectadas.
• Programación del microcontrolador (software), en la que se programaron los algoritmos que transforman las señales proporcionadas por los sensores en información útil. Es decir, algunos de los sensores únicamente proporcionan valores binarios (0 o 1), para convertir esas señales a información útil es necesario disponer de algoritmos tales que, a partir de las señales enviadas estimen cual es el valor de las variables.

Enseguida surge la pregunta ¿Se podría utilizar este prototipo para transportar paquetes por empresas de paquetería,  o para llevar personas que no saben circular en bicicleta? La respuesta es no, quedan muchas cuestiones complejas que resolver antes de que pueda tener un uso práctico, pero es un primer paso importante sobre el que otros alumnos de la universidad o investigadores podrán seguir trabajando.