Data fusion in ubiquitous networked robot systems for urban services

There is a clear trend in the use of robots to accomplish services that can help humans. In this paper, robots acting in urban environments are considered for the task of person guiding. Nowadays, it is common to have ubiquitous sensors integrated within the buildings, such as camera networks, and wireless communications like 3G or WiFi. Such infrastructure can be directly used by robotic platforms. The paper shows how combining the information from the robots and the sensors allows tracking failures to be overcome, by being more robust under occlusion, clutter, and lighting changes. The paper describes the algorithms for tracking with a set of fixed surveillance cameras and the algorithms for position tracking using the signal strength received by a wireless sensor network (WSN). Moreover, an algorithm to obtain estimations on the positions of people from cameras on board robots is described. The estimate from all these sources are then combined using a decentralized data fusion algorithm to provide an increase in performance. This scheme is scalable and can handle communication latencies and failures. We present results of the system operating in real time on a large outdoor environment, including 22 nonoverlapping cameras, WSN, and several robots.Universidad Pablo de Olavide. Departamento de Deporte e InformáticaPostprin

Ten years of cooperation between mobile robots and sensor networks

This paper presents an overview of the work carried out by the Group of Robotics, Vision and Control (GRVC) at the University of Seville on the cooperation between mobile robots and sensor networks. The GRVC, led by Professor Anibal Ollero, has been working over the last ten years on techniques where robots and sensor networks exploit synergies and collaborate tightly, developing numerous research projects on the topic. In this paper, based on our research, we introduce what we consider some relevant challenges when combining sensor networks with mobile robots. Then, we describe our developed techniques and main results for these challenges. In particular, the paper focuses on autonomous self-deployment of sensor networks; cooperative localization and tracking; self-localization and mapping; and large-scale scenarios. Extensive experimental results and lessons learnt are also discussed in the paper

Decentralized Sensor Fusion for Ubiquitous Networking Robotics in Urban Areas

In this article we explain the architecture for the environment and sensors that has been built for the European project URUS (Ubiquitous Networking Robotics in Urban Sites), a project whose objective is to develop an adaptable network robot architecture for cooperation between network robots and human beings and/or the environment in urban areas. The project goal is to deploy a team of robots in an urban area to give a set of services to a user community. This paper addresses the sensor architecture devised for URUS and the type of robots and sensors used, including environment sensors and sensors onboard the robots. Furthermore, we also explain how sensor fusion takes place to achieve urban outdoor execution of robotic services. Finally some results of the project related to the sensor network are highlighted

An Integrated Testbed for Cooperative Perception with Heterogeneous Mobile and Static Sensors

Cooperation among devices with different sensing, computing and communication capabilities provides interesting possibilities in a growing number of problems and applications including domotics (domestic robotics), environmental monitoring or intelligent cities, among others. Despite the increasing interest in academic and industrial communities, experimental tools for evaluation and comparison of cooperative algorithms for such heterogeneous technologies are still very scarce. This paper presents a remote testbed with mobile robots and Wireless Sensor Networks (WSN) equipped with a set of low-cost off-the-shelf sensors, commonly used in cooperative perception research and applications, that present high degree of heterogeneity in their technology, sensed magnitudes, features, output bandwidth, interfaces and power consumption, among others. Its open and modular architecture allows tight integration and interoperability between mobile robots and WSN through a bidirectional protocol that enables full interaction. Moreover, the integration of standard tools and interfaces increases usability, allowing an easy extension to new hardware and software components and the reuse of code. Different levels of decentralization are considered, supporting from totally distributed to centralized approaches. Developed for the EU-funded Cooperating Objects Network of Excellence (CONET) and currently available at the School of Engineering of Seville (Spain), the testbed provides full remote control through the Internet. Numerous experiments have been performed, some of which are described in the paper

MISSION-ORIENTED HETEROGENEOUS ROBOT COOPERATION BASED ON SMART RESOURCES EXECUTION

Home environments are changing as more technological devices are used to improve daily life. The growing demand for high technology in our homes means that robot integration will soon arrive. Home devices are evolving in a connected paradigm in which data flows to perform efficient home task management. Heterogeneous home robots connected in a network can establish a workflow that complements their capabilities and so increases performance within a mission execution. This work addresses the definition and requirements of a robot-group mission in the home context. The proposed solution relies on a network of smart resources, which are defined as cyber-physical systems that provide high-level service execution. Firstly, control middleware architecture is introduced as the execution base for the Smart resources. Next, the Smart resource topology and its integration within a robotic platform are addressed. Services supplied by Smart resources manage their execution through a robot behavior architecture. Robot behavior execution is hierarchically organized through a mission definition that can be established as an individual or collective approach. Environment model and interaction tasks characterize the operation capabilities of each robot within a mission. Mission goal achievement in a heterogeneous group is enhanced through the complement of the interaction capabilities of each robot. To offer a clearer explanation, a full use case is presented in which two robots cooperate to execute a mission and the previously detailed steps are evaluated. Finally, some of the obtained results are discussed as conclusions and future works is introduced.Los entornos domésticos se encuentran sometidos a un proceso de cambio gracias al empleo de dispositivos tecnológicos que mejoran la calidad de vida de las personas. La creciente demanda de alta tecnología en los hogares señala una próxima incorporación de la robótica de servicio. Los dispositivos domésticos están evolucionando hacia un paradigma de conexión en el cual la información fluye para ofrecer una gestión más eficiente. En este entorno, robots heterogéneos conectados a la red pueden establecer un flujo de trabajo que ofreciendo nuevas soluciones y incrementando la eficiencia en la ejecución de tareas. Este trabajo aborda la definición y los requisitos necesarios para la ejecución de misiones en grupos de robots heterogéneos en entornos domésticos. La solución propuesta se apoya en una red de Smart resources, que son definidos como sistemas ciber-físicos que proporcionan servicios de alto nivel. En primer lugar, se presenta la arquitectura del middleware de control en la cual se basa la ejecución de los Smart resources. A continuación se detalla la topología de los Smart resources, así como su integración en plataformas robóticas. Los servicios proporcionados por los Smart resources gestionan su ejecución mediante una arquitectura de comportamientos para robots. La ejecución de estos comportamientos se organiza de forma jerárquica mediante la definición de una misión con un objetivo establecido de forma individual o colectiva a un grupo de robots. Dentro de una misión, las tareas de modelado e interacción con el entorno define las capacidades de operación de los robots dentro de una misión. Mediante la integración de un grupo heterogéneo de robots sus diversas capacidades son complementadas para el logro un objetivo común. A fin de caracterizar esta propuesta, los mecanismos presentados en este documento se evaluarán en detalle a lo largo de una serie experimentos en los cuales un grupo de robots heterogéneos ejecutan una misión colaborativa para alcanzar un objetivo común. Finalmente, los resultados serán discutidos a modo de conclusiones dando lugar el establecimiento de un trabajo futuro.Els entorns domèstics es troben sotmesos a un procés de canvi gràcies a l'ocupació de dispositius tecnològics que milloren la qualitat de vida de les persones. La creixent demanda d'alta tecnologia a les llars assenyala una propera incorporació de la robòtica de servei. Els dispositius domèstics estan evolucionant cap a un paradigma de connexió en el qual la informació flueix per oferir una gestió més eficient. En aquest entorn, robots heterogenis connectats a la xarxa poden establir un flux de treball que ofereix noves solucions i incrementant l'eficiència en l'execució de tasques. Aquest treball aborda la definició i els requisits necessaris per a l'execució de missions en grups de robots heterogenis en entorns domèstics. La solució proposada es recolza en una xarxa de Smart resources, que són definits com a sistemes ciber-físics que proporcionen serveis d'alt nivell. En primer lloc, es presenta l'arquitectura del middleware de control en la qual es basa l'execució dels Smart resources. A continuació es detalla la tipologia dels Smart resources, així com la seva integració en plataformes robòtiques. Els serveis proporcionats pels Smart resources gestionen la seva execució mitjançant una arquitectura de comportaments per a robots. L'execució d'aquests comportaments s'organitza de forma jeràrquica mitjançant la definició d'una missió amb un objectiu establert de forma individual o col·lectiva a un grup de robots. Dins d'una missió, les tasques de modelatge i interacció amb l'entorn defineix les capacitats d'operació dels robots dins d'una missió. Mitjançant la integració d'un grup heterogeni de robots seves diverses capacitats són complementades per a l'assoliment un objectiu comú. Per tal de caracteritzar aquesta proposta, els mecanismes presentats en aquest document s'avaluaran en detall mitjançant d'una sèrie experiments en els quals un grup de robots heterogenis executen una missió col·laborativa per aconseguir un objectiu comú. Finalment, els resultats seran discutits a manera de conclusions donant lloc a l'establiment d'un treball futur.Munera Sánchez, E. (2017). MISSION-ORIENTED HETEROGENEOUS ROBOT COOPERATION BASED ON SMART RESOURCES EXECUTION [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/88404TESI

Information Acquisition with Sensing Robots: Algorithms and Error Bounds

Utilizing the capabilities of configurable sensing systems requires addressing difficult information gathering problems. Near-optimal approaches exist for sensing systems without internal states. However, when it comes to optimizing the trajectories of mobile sensors the solutions are often greedy and rarely provide performance guarantees. Notably, under linear Gaussian assumptions, the problem becomes deterministic and can be solved off-line. Approaches based on submodularity have been applied by ignoring the sensor dynamics and greedily selecting informative locations in the environment. This paper presents a non-greedy algorithm with suboptimality guarantees, which does not rely on submodularity and takes the sensor dynamics into account. Our method performs provably better than the widely used greedy one. Coupled with linearization and model predictive control, it can be used to generate adaptive policies for mobile sensors with non-linear sensing models. Applications in gas concentration mapping and target tracking are presented.Comment: 9 pages (two-column); 2 figures; Manuscript submitted to the 2014 IEEE International Conference on Robotics and Automatio

Special Topics in Information Technology

This open access book presents outstanding doctoral dissertations in Information Technology from the Department of Electronics, Information and Bioengineering, Politecnico di Milano, Italy. Information Technology has always been highly interdisciplinary, as many aspects have to be considered in IT systems. The doctoral studies program in IT at Politecnico di Milano emphasizes this interdisciplinary nature, which is becoming more and more important in recent technological advances, in collaborative projects, and in the education of young researchers. Accordingly, the focus of advanced research is on pursuing a rigorous approach to specific research topics starting from a broad background in various areas of Information Technology, especially Computer Science and Engineering, Electronics, Systems and Control, and Telecommunications. Each year, more than 50 PhDs graduate from the program. This book gathers the outcomes of the best theses defended in 2021-22 and selected for the IT PhD Award. Each of the authors provides a chapter summarizing his/her findings, including an introduction, description of methods, main achievements and future work on the topic. Hence, the book provides a cutting-edge overview of the latest research trends in Information Technology at Politecnico di Milano, presented in an easy-to-read format that will also appeal to non-specialists

A multi-hypothesis approach for range-only simultaneous localization and mapping with aerial robots

Los sistemas de Range-only SLAM (o RO-SLAM) tienen como objetivo la construcción de un mapa formado por la posición de un conjunto de sensores de distancia y la localización simultánea del robot con respecto a dicho mapa, utilizando únicamente para ello medidas de distancia. Los sensores de distancia son dispositivos capaces de medir la distancia relativa entre cada par de dispositivos. Estos sensores son especialmente interesantes para su applicación a vehículos aéreos debido a su reducido tamaño y peso. Además, estos dispositivos son capaces de operar en interiores o zonas con carencia de señal GPS y no requieren de una línea de visión directa entre cada par de dispositivos a diferencia de otros sensores como cámaras o sensores laser, permitiendo así obtener una lectura de datos continuada sin oclusiones. Sin embargo, estos sensores presentan un modelo de observación no lineal con una deficiencia de rango debido a la carencia de información de orientación relativa entre cada par de sensores. Además, cuando se incrementa la dimensionalidad del problema de 2D a 3D para su aplicación a vehículos aéreos, el número de variables ocultas del modelo aumenta haciendo el problema más costoso computacionalmente especialmente ante implementaciones multi-hipótesis. Esta tesis estudia y propone diferentes métodos que permitan la aplicación eficiente de estos sistemas RO-SLAM con vehículos terrestres o aéreos en entornos reales. Para ello se estudia la escalabilidad del sistema en relación al número de variables ocultas y el número de dispositivos a posicionar en el mapa. A diferencia de otros métodos descritos en la literatura de RO-SLAM, los algoritmos propuestos en esta tesis tienen en cuenta las correlaciones existentes entre cada par de dispositivos especialmente para la integración de medidas estÃa˛ticas entre pares de sensores del mapa. Además, esta tesis estudia el ruido y las medidas espúreas que puedan generar los sensores de distancia para mejorar la robustez de los algoritmos propuestos con técnicas de detección y filtración. También se proponen métodos de integración de medidas de otros sensores como cámaras, altímetros o GPS para refinar las estimaciones realizadas por el sistema RO-SLAM. Otros capítulos estudian y proponen técnicas para la integración de los algoritmos RO-SLAM presentados a sistemas con múltiples robots, así como el uso de técnicas de percepción activa que permitan reducir la incertidumbre del sistema ante trayectorias con carencia de trilateración entre el robot y los sensores de destancia estáticos del mapa. Todos los métodos propuestos han sido validados mediante simulaciones y experimentos con sistemas reales detallados en esta tesis. Además, todos los sistemas software implementados, así como los conjuntos de datos registrados durante la experimentación han sido publicados y documentados para su uso en la comunidad científica

Robot and Sensor Networks for First Responders

A network of distributed mobile sensor systems can help first responders during emergencies. Experiments conducted at a burning building with firefighters show the sensors’ potential to localize themselves and acquire and combine information, providing an integrative view of a dynamically changing environment