Este proyecto aborda el desarrollo de un sistema funcional de gemelo digital para un robot móvil diferencial, orientado al ajuste del comportamiento de navegación en condiciones de operación reales. El objetivo principal del proyecto es construir una infraestructura accesible y escalable que permita analizar, simular y mejorar dinámicamente el rendimiento de un robot construido con hardware de bajo coste, sin necesidad de realizar calibraciones manuales constantes ni disponer de equipamiento especializado.
Para ello, se ha diseñado una arquitectura modular que integra un sistema físico (robot diferencial), un sistema simulado (modelo dinámico parametrizable en Webots) y un middleware central que actúa como núcleo del gemelo digital. Este middleware permite la sincronización de datos, la comparación del comportamiento físico y simulado, y la ejecución de procesos de calibración automática del modelo. El sistema se complementa con interfaces de control y monitorización en tiempo real, construidas con herramientas de código abierto y adaptadas a entornos de bajo coste.
Durante el desarrollo, se han abordado aspectos clave como la caracterización del modelo dinámico del robot, la implementación de controladores PI y la validación cruzada entre sistemas mediante métricas de seguimiento, posición angular y velocidad. Uno de los principales logros ha sido la implementación de una estrategia de ajuste automático del modelo simulado en función de las desviaciones detectadas, lo que ha permitido mantener la fidelidad del gemelo digital a lo largo del tiempo. Además, se ha establecido una base sólida para futuras mejoras, como la automatización completa del ajuste de controladores.
El sistema ha demostrado ser funcional y efectivo en escenarios de prueba, sentando las bases para futuras extensiones del sistema, ya sea en términos de complejidad del modelo, automatización del control o ampliación a otros tipos de robots móviles, consolidándose como una plataforma versátil, educativa y de bajo coste, alineada con las necesidades actuales de la Industria 4.0.
Abstract:
This project focuses on the development of a functional digital twin system for a differential-drive mobile robot, aimed at optimizing navigation behavior under real-world operating conditions. The main objective is to design an accessible and scalable infrastructure capable of analyzing, simulating, and dynamically improving the performance of a robot built with low-cost hardware—without the need for constant manual calibration or specialized equipment.
To achieve this, a modular architecture has been implemented, comprising a physical system (the differential robot), a simulated system (a parametrizable dynamic model in Webots), and a central middleware that serves as the core of the digital twin. This middleware enables data synchronization, comparison between the physical and simulated behavior, and the execution of automated model calibration processes. The system is complemented by real-time control and monitoring interfaces, developed using open-source tools and tailored to cost-constrained environments.
Key aspects addressed during development include the characterization of the robot’s dynamic model, implementation of PI controllers, and cross-validation between the physical and simulated systems using metrics such as tracking accuracy, angular position, and velocity. One of the main achievements has been the integration of a model auto-tuning strategy based on observed deviations, allowing the digital twin to remain faithful to the real system over time. Additionally, a foundation has been laid for future enhancements, such as full automation of controller tuning.
The system has proven to be functional and effective in a variety of test scenarios, providing a solid foundation for further extensions—whether in terms of model complexity, control automation, or adaptation to other types of mobile robots. As such, it presents itself as a versatile, educational, and low-cost platform aligned with the demands of Industry 4.0.
Este proyecto aborda el desarrollo de un sistema funcional de gemelo digital para un robot móvil diferencial, orientado al ajuste del comportamiento de navegación en condiciones de operación reales. El objetivo principal del proyecto es construir una infraestructura accesible y escalable que permita analizar, simular y mejorar dinámicamente el rendimiento de un robot construido con hardware de bajo coste, sin necesidad de realizar calibraciones manuales constantes ni disponer de equipamiento especializado.
Para ello, se ha diseñado una arquitectura modular que integra un sistema físico (robot diferencial), un sistema simulado (modelo dinámico parametrizable en Webots) y un middleware central que actúa como núcleo del gemelo digital. Este middleware permite la sincronización de datos, la comparación del comportamiento físico y simulado, y la ejecución de procesos de calibración automática del modelo. El sistema se complementa con interfaces de control y monitorización en tiempo real, construidas con herramientas de código abierto y adaptadas a entornos de bajo coste.
Durante el desarrollo, se han abordado aspectos clave como la caracterización del modelo dinámico del robot, la implementación de controladores PI y la validación cruzada entre sistemas mediante métricas de seguimiento, posición angular y velocidad. Uno de los principales logros ha sido la implementación de una estrategia de ajuste automático del modelo simulado en función de las desviaciones detectadas, lo que ha permitido mantener la fidelidad del gemelo digital a lo largo del tiempo. Además, se ha establecido una base sólida para futuras mejoras, como la automatización completa del ajuste de controladores.
El sistema ha demostrado ser funcional y efectivo en escenarios de prueba, sentando las bases para futuras extensiones del sistema, ya sea en términos de complejidad del modelo, automatización del control o ampliación a otros tipos de robots móviles, consolidándose como una plataforma versátil, educativa y de bajo coste, alineada con las necesidades actuales de la Industria 4.0.
Abstract:
This project focuses on the development of a functional digital twin system for a differential-drive mobile robot, aimed at optimizing navigation behavior under real-world operating conditions. The main objective is to design an accessible and scalable infrastructure capable of analyzing, simulating, and dynamically improving the performance of a robot built with low-cost hardware—without the need for constant manual calibration or specialized equipment.
To achieve this, a modular architecture has been implemented, comprising a physical system (the differential robot), a simulated system (a parametrizable dynamic model in Webots), and a central middleware that serves as the core of the digital twin. This middleware enables data synchronization, comparison between the physical and simulated behavior, and the execution of automated model calibration processes. The system is complemented by real-time control and monitoring interfaces, developed using open-source tools and tailored to cost-constrained environments.
Key aspects addressed during development include the characterization of the robot’s dynamic model, implementation of PI controllers, and cross-validation between the physical and simulated systems using metrics such as tracking accuracy, angular position, and velocity. One of the main achievements has been the integration of a model auto-tuning strategy based on observed deviations, allowing the digital twin to remain faithful to the real system over time. Additionally, a foundation has been laid for future enhancements, such as full automation of controller tuning.
The system has proven to be functional and effective in a variety of test scenarios, providing a solid foundation for further extensions—whether in terms of model complexity, control automation, or adaptation to other types of mobile robots. As such, it presents itself as a versatile, educational, and low-cost platform aligned with the demands of Industry 4.0. Read More
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