Integración de sistemas multi-agente en plataformas embebidas heterogéneas con recursos limitados para tareas de localización y coordinación en detección y evasión de colisiones en robótica móvil

[EN] In recent years, within the field of mobile robotics, distributed architectures are becoming the fundamental pillar on which to develop modular, scalable and reusable algorithms that offer flexible solutions that can be applied easily and quickly to any platform with minimal changes in the software. Thus avoiding to reinvent the wheel facing the same problem again and again with each different type of robot on which it wants to work. Within this type of architecture, the multi-agent systems have the ability to orient their programming to modular behaviors and offer a well defined communication management. The ability for a group of robots to communicate with each other with some ease, gives new information to the agents that the sensoring hardware may sometimes not be able to detect, and that can be used to propose new or complementary solutions to the already defined within the area. This is exactly the reason and the challenge faced by this work, applied to mobile robots with limited resources. The first contribution of this thesis lies in the development of a control middleware which allows the use of two important distributed frameworks: JADE oriented multi-agent software development and ROS oriented distributed robotic software. The middleware was integrated into the set of robots available for testing and it was used as the basis of the architecture of most simulated and practical experiments that are presented. Once the established and detailed the hardware and software used, the new algorithms developed for local and global localization of mobile robots with limited resources, based on filters of sensory fusion and geometric correspondences are established. In addition, the benefits are evaluated using the principles of control and sampling based on events and taking as a starting point the cascade algorithms based on time. Based on these localization algorithms, navigation and coordination methodologies are described for groups of cooperative robots, where the communications between agents are the basis of success and where satisfactory results are observed both individually by robot and globally on the set Of robots. When working on a scenario shared by various mobile robots navigating, one of the most critical issues is to get the robots do not collide with each other. For this reason, another of the most important contributions of this work has been the development of an algorithm of detection and avoidance of collisions based on the consensus and agreement between robots through the point-to-point communications between them. For cases when a robot collided with just another robot, and for cases where multiple collisions occurred at the same time. Finally, the conclusions and the possible lines of work on which to continue researching and developing from the results obtained in this thesis are presented.[ES] En los últimos años, dentro del campo de la robótica móvil, las arquitecturas distribuidas se están convirtiendo en el pilar fundamental sobre el cual desarrollar algoritmos modulares, escalables y reaprovechables que ofrezcan soluciones flexibles aplicables fácil y rápidamente a cualquier plataforma con unos cambios mínimos en el software, evitando de este modo reinventar la rueda enfrentándose al mismo problema una y otra vez con cada tipo distinto de robot sobre el que se desea trabajar. Dentro de este tipo de arquitectura los sistemas multi-agente permiten orientar su programación hacia comportamientos modulares y ofrecen una gestión de comunicaciones bien definida. La habilidad de que un grupo de robots pueda comunicarse entre sí con cierta facilidad, otorga información nueva a los agentes que el hardware de sensorización puede en ocasiones no ser capaz de detectar, y que puede ser utilizada para proponer nuevas soluciones alternativas o complementarias a las ya definidas dentro del área. Este es exactamente el motivo y el reto al que se enfrenta este trabajo, aplicado a robots móviles de recursos limitados. La primera aportación de esta tesis radica en el desarrollo de un middleware de control el cual permite el uso de dos importantes frameworks distribuidos: JADE orientado al desarrollo software multi-agente y ROS orientado a software robótico distribuido. El middleware se integró en el conjunto de robots disponibles para pruebas y se utiliza como base de la arquitectura de la mayoría de experimentos simulados y prácticos que se presentan. Establecido y detallado el hardware y el software a utilizar, se establecen los nuevos algoritmos desarrollados para la localización local y global de robots móviles de recursos limitados, basados en filtros de fusión sensorial y en correspondencias geométricas. Además se evalúan las prestaciones utilizando los principios de control y muestreo basados en eventos y tomando como punto de partida los algoritmos en cascada basados en el tiempo. Partiendo de dichos algoritmos de localización, se describen metodologías de navegación y coordinación de grupos de robots cooperativos, donde las comunicaciones entre agentes son la base del éxito y donde se observan resultados satisfactorios tanto a nivel individual por robot, como a nivel global sobre el conjunto de robots. Cuando se trabaja sobre un escenario compartido por diversos robots móviles navegando, una de las problemáticas más críticas es conseguir que los robots no choquen entre ellos. Por este motivo, otra de las aportaciones más importantes de este trabajo ha sido el desarrollo de un algoritmo de detección y evasión de colisiones basado también en el consenso y el acuerdo entre robots a través de las comunicaciones punto a punto entre ellos, el cual se ha definido tanto para situaciones donde un robot colisionaba sólo con otro robot, como para casos en los que ocurrían múltiples colisiones al mismo tiempo. Finalmente se exponen las conclusiones y las posibles líneas de trabajo sobre las que seguir investigando y desarrollando a partir de los resultados obtenidos en la presente tesis.[CAT] En els últims anys, dins del camp de la robòtica mòbil, les arquitectures distribuïdes s'estan convertint en el pilar fonamental sobre el qual desenvolupar algorismes modulars, escalables i reaprovechables que oferisquen solucions flexibles aplicables fàcil i ràpidament a qualsevol plataforma amb uns canvis mínims en el programari, evitant d'aquesta manera reinventar la roda enfrontant-se al mateix problema una vegada i una altra amb cada tipus diferent de robot sobre el qual es desitja treballar. Dins d'aquest tipus d'arquitectura els sistemes multi-agent permeten orientar la seua programació cap a comportaments modulars i ofereixen una gestió de comunicacions ben definida. L'habilitat de que un grup de robots puga comunicar-se entre si amb certa facilitat, atorga informació nova als agents que el hardware de sensorització pot en ocasions no ser capaç de detectar, i que pot ser utilitzada per a proposar noves solucions alternatives o complementàries a les ja definides dins de l'àrea. Aquest és exactament el motiu i el repte al que s'enfronta aquest treball, aplicat a robots mòbils de recursos limitats. La primera aportació d'aquesta tesi radica en el desenvolupament d'un middleware de control el qual permet l'ús de dos importants frameworks distribuïts: JADE orientat al desenvolupament de la programació multi-agent i ROS orientat a la programació robòtica distribuïda. El middleware es va integrar en el conjunt de robots disponibles per a proves i s'utilitza com a base de l'arquitectura de la majoria d'experiments simulats i pràctics que es presenten. Establit i detallat el hardware i el software a utilitzar, s'estableixen els nous algorismes desenvolupats per a la localització local i global de robots mòbils de recursos limitats, basats en filtres de fusió sensorial i en correspondències geomètriques. A més s'avaluen les prestacions utilitzant els principis de control i mostreig basats en esdeveniments i prenent com a punt de partida els algorismes en cascada basats en el temps. Partint d'aquests algorismes de localització, es descriuen metodologies de navegació i coordinació de grups de robots cooperatius, on les comunicacions entre agents són la base de l'èxit i on s'observen resultats satisfactoris tant a nivell individual per robot, com a nivell global sobre el conjunt de robots. A més, quan es treballa sobre un escenari compartit per diversos robots mòbils navegant, una de les problemàtiques més crítiques és aconseguir que els robots no xoquen entre ells. Per aquest motiu, una altra de les aportacions més importants d'aquest treball ha sigut el desenvolupament d'un algorisme de detecció i evasió de col·lisions basat també en el consens i l'acord entre robots a través de les comunicacions punt a punt entre ells, el qual s'ha definit tant per a situacions on un robot col·lisionava només amb un altre robot, com per a casos en els quals ocorrien múltiples col·lisions al mateix temps. Finalment s'exposen les conclusions i les possibles línies de treball sobre les quals seguir investigant i desenvolupant a partir dels resultats obtinguts en la present tesi.Soriano Vigueras, Á. (2017). Integración de sistemas multi-agente en plataformas embebidas heterogéneas con recursos limitados para tareas de localización y coordinación en detección y evasión de colisiones en robótica móvil [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86174TESI

Metodología de Navegación de robots móviles para detección de vanos y discontinuidades en su trayectoria

En la presente tesis de maestría, se pretende plantear el estudio e implementación de 2 estrategias de navegación autónoma que permitan a una plataforma robótica llegar al cumplimiento de la tarea asignada en entornos interiores estáticos, incluyendo trabajar con algunas discontinuidades, tales como puertas y/o pasillos. La primera estrategia que se evaluara será un sistema hibrido, teniendo en cuenta un sistema neuro-difuso, donde la parte de redes neuronales en combinación con comportamientos reactivos estimaran una decisión en cuanto a la orientación, y la parte difusa entregara mediante el uso de reglas, la velocidad a seguir por la plataforma, teniendo en cuenta las restricciones físicas y mecánicas del robot, el segundo método a analizar estará basado en estrategias estadísticas y/o probabilísticas, donde se enfocara en redes bayesianas. Se elaboraran pruebas en diversos entornos y cada una con diversos niveles de complejidad, donde datos representativos podrán ser comparados con métricas de desempeño y así poder establecer en alguna medida la mejor opciónIn this master thesis, intends to present the study and implementation of 2 autonomous navigation strategies that lead to a robotic platform to fulfilling the task assigned in normal indoor environments, including work with some discontinuities, such as Corridor or hallways. The first strategy to be evaluated will be a hybrid system, taking into account a neuronal-fuzzy system, where the part of neuronal networks in combination with reactive behaviors estimate a decision on orientation, and the fuzzy logic part delivered through the use of rules , The speed to be followed by the platform, taking into account the physical and mechanical constraints of the robot, the second method to analyze will be based on statistical and / or probabilistic strategies, where it will focus on Bayesian networks. Tests will be developed in different environments and each with different levels of complexity, where representative data can be compared with performance metrics and thus be able to establish to some extent the best optionMagister en Automatización y Contro

Análisis de la tecnología de posicionamiento indoor aplicada a robots autónomos móviles

La creación del presente proyecto surge de la necesidad del Departamento de Sistemas y Automática de la Universidad Carlos III de disponer de un documento que recoja las diferentes tecnologías dedicadas al posicionamiento de robot autónomos móviles en interiores. El propósito del documento es exponer de forma accesible pero rigurosa los aspectos clave de los sistemas de posicionamiento en interiores, sus usos actuales en múltiples entornos y las posibles evoluciones futuras de las diferentes tecnologías. Los principales contenidos cubiertos son: - Principales tecnologías de posicionamiento: características, ventajas e inconvenientes. - Estrategias y algoritmos usados en los sistemas de posicionamiento. - Estado de los sistemas de posicionamiento en interiores en la actualidad, tanto comerciales como en fase de desarrollo. De forma complementaria, se estudian conceptos relativos a la locomoción robótica, ya que pueden ser determinantes a la hora de analizar las estrategias de los robots autónomos móviles, y se presentan las principales tecnologías de sensores organizadas según su campo de aplicación. Finalmente, se analizan los resultados y se elaboran conclusiones en función de los requerimientos iniciales del proyecto, valorando su adecuidad para las aplicaciones propuestas.The making of this project emerges from the need of the Department of Systems and Automation at the University Carlos III to gather information in a survey about the different technologies related to the indoor positioning of self-sufficient mobile robots. The purpose of the project is to present the key aspects of the selected indoor positioning systems, their current usage in multiple surroundings and the possible future development of these different technologies in an accessible, yet rigorous way. The main content covered by the survey is: - Relevant positioning technologies: characteristics, benefits and disadvantages. - Strategies and algorithms applied by the positioning systems. - Present status of existing indoor positioning systems, considering both systems that are currently commercialized and systems in stage of development. To enrich the survey, it has been complemented by a study of concepts related to robotic locomotion, seeing that they can be decisive at the moment of analyzing the strategy of the autonomous mobile robots. Relevant sensor technologies are also presented, organized by the application area. Finally, the results are analyzed and the conclusions are made according to the requirements established in the initial phases of the project, considering the adequacy for the suggested applications.Ingeniería Técnica en Electrónic

Control para navegación de robot por medio de visión artificial

En la actualidad, las nuevas tecnologías se están aplicando a la hora de mejorar la conducción de vehículos. Existe tecnología simple, como sensores y cámaras, que nos ayudan a aparcar, hasta los ya conocidos coches de conducción autónoma. Con estos nuevos sistemas de conducción se busca mayor confort y seguridad para el conductor y para los peatones. El objetivo de este trabajo es el desarrollo de un sistema de conducción autónomo guiado por visión artificial. El sistema estará integrado por un robot con cámara y una parte software que, a partir de las imágenes obtenidas por la cámara, guiará a un robot entre las líneas de un carril bici (simulando un vehículo autónomo en la carretera). El robot estará compuesto por con una cámara, un chasis con cuatro motores y sus respectivos controladores de motores, todo ello integrado en una Raspberry Pi. La Raspberry Pi soportará un software desarrollado en Python y realizado con la ayuda de las librerias OpenCV, creadas para el desarrollo de la visión artificial, que cuentan con un gran número de funciones que se adecúan al objetivo. Una vez perfeccionado el proyecto y desarrollando esta tecnología lo suficiente, podría utilizarse en otro tipo de vehiculos de menor tamaño y potencia que un automóvil y en espacios menos abiertos que una carretera, como podrían ser sillas de ruedas motorizadas de personas que no tienen la capacidad para controlarla en la calle o en un hospital. Otra opción podria ser guiar vehículos de menor tamaño dentro de una empresa que transporten a sus trabajadores, transportar viajeros por un aeropuerto o incluso por un campus de una Universidad. Las posibilidades son muchas debido a su bajo coste y su gran rendimiento.Nowadays, new technologies are been applied to improve vehicle driving. There are simple technologies, such as sensors and cameras, which help us to park, even the well-known self-driving vehicles. These new autonomous driving systems look for comfort and safety for the driver and pedestrians. The aim of the work is the development of a computer vision-guided autonomous driving system. It will be composed of a robot with camera and software wich will guided the robot between the bicycle lane lines from the frames supplied by the camera (like an autonomous vehicle on the road). The robot will be composed of a camera, a chassis, four DC motors and their respective motor drivers, all of it is supported by a Raspberry Pi with a Python software and the OpenCV library, wich is created for computer vision development. This library has many functions to achieve the aim. When this project has been improved and this technologies has been enoughly developed, it would be used in friendly environments with any type of less powerfull and smaller vehicle than a car, for example to guide a motorized wheelchair of disabled people in a hospital. Another option would be to move passengers at the airport or students in a university campus. There are so many possibilities due to its low cost and high perfomance.Ingeniería Electrónica Industrial y Automátic

Desarrollo y validación de un modelo dinámico para una pila de combustible tipo PEM

JORNADAS DE AUTOMÁTICA (27) (27.2006.ALMERÍA)El objetivo de este trabajo es realizar un modelo dinámico detallado de una pila de combustible tipo PEM de 1.2 kW de potencia nominal. El modelo desarrollado incluye efectos como el ’flooding’ y la dinámica de la temperatura y es de utilidad para poder diseñar y ensayar controles tanto de la válvula de purga como de la refrigeración de la pila mediante un ventilador. Se ha desarrollado un novedoso tratamiento de la ecuación experimental que modela la curva de polarización que simplifica considerablemente su caracterización. Por último el modelo realizado ha sido validado con datos tomados de una pila real

Automatización de la construcción

La finalidad de la tesis es investigar las herramientas que actualmente existen en el mercado mundial para desarrollar sistemas automatizados en la construcción, en cualquier sector (obra civil y edificación). A partir de esa primera fase, definir en qué campos resulta rentable su implementación en función del coste, plazo, calidad y prevención de riesgos laborales

Localización mediante Differential Evolution de un robot móvil

Los primeros robots operaban en entornos especialmente preparados para ellos. Cada componente de su espacio de trabajo se encontraba situado en una posición y orientación predefinidas, de modo que el robot conocía a priori y con exactitud el escenario donde se encontraba. En la actualidad muchas de las aplicaciones requieren que los robots tengan rasgos de autonomía como son la capacidad para identificar mediante sus sensores las características que tiene el entorno o la capacidad para auto-localizarse dentro del mismo. En los últimos años se han propuesto una gran variedad de técnicas de posicionamiento de robots móviles. Su planteamiento varía considerablemente en función del medio en el cual se mueve el robot, del conocimiento que se posea tanto del entorno como de la tarea a realizar, y del conjunto de sensores disponible. En general, la posición puede determinarse a través de sensores, tanto internos como externos. A pesar de que los resultados obtenidos en el campo de la auto-localización de robot móviles son abundantes y muy significativos, aún existen problemas por resolver, sobre todo, los vinculados al uso de sensores imprecisos y de bajo costo, ya que la información obtenida con estos sensores resulta poco fiable en el momento de integrarla a las distintas aplicaciones en este tipo de sistemas. El presente trabajo se centra en la implantación de un sistema de localización absoluta basado en técnicas evolutivas, en un robot real de carácter educativo y comercial dotado con sensores de bajo costo. ________________________________________________________________________________________________________________________________The first robots operating in environments specially prepared for them. Each component of your workspace was located in a predefined position and orientation so that the robot known a priori and accurately the stage where he was. At present, many applications require that robots have autonomous features such as the ability to identify by its sensors the features that the environment or the ability to self-localized inside it. In recent years we have proposed a variety of positioning techniques for mobile robots [1]. His approach varies considerably depending on the medium in which the robot moves, the existing knowledge of both the environment and the task at hand, and the set of available sensors. In general, the position can be determined through sensors, both internal and external [2]. Although the results obtained in the field of self-localization of mobile robots are numerous and very significant, there are still unresolved problems particularly those related to the use of inaccurate sensors, low cost, since the information gained from these sensors is unreliable at the time to integrate the various applications on such systems. This work focuses on the implementation of an absolute positioning system based on evolutionary techniques in a real robot designed for educational and commercial uses equipped with low cost sensors.Ingeniería Técnica en Electrónic

Localización de robots móviles de recursos limitados basada en fusión sensorial por eventos

Uno de los aspectos esenciales en la robótica móvil es la obtención y procesamiento de la información relativa a la localización del robot en el espacio de movimiento, con el fin utilizarla para generar los movimientos deseados del robot. Para esto se busca utilizar la mayor cantidad posible de fuentes de información con el fin de corregir los errores de posición asociados a la presencia de ruido en las mediciones del robot. La fusión de esta información es tema central de la tesis en la cual se exponen distintos algoritmos de fusión, desarrollados específicamente para robots móviles con recursos de computación limitados. Utilizando modelos dinámicos en conjunto con técnicas de fusión basadas en filtro de Kalman se realiza una estimación local de la posición utilizando sensores inerciales. Esta estimación se fusiona mediante un filtro de Kalman con información de un sensor global y una corrección basada en eventos. Esta combinación de filtros en cascada con corrección basada en eventos es el principal aporte de la presente tesis. Esta solución al problema de localización permite una precisión similar pero un coste computacional menor a esquemas más complejos de fusión, lo que permite su implementación en robots de recursos limitados. El esquema propuesto se extiende para permitir la localización cooperativa de grupos de robots, modificando la actualización por eventos para incorporar la fusión de la posición de distintos robots cercanos entre si. Para esto se determina la posición entre los robots y se utiliza un sistema de comunicación y gestión basada en agentes. Este método permite realizar una fusión sensorial inteligente, tomando en cuenta únicamente la información de posición más fiable para actualizar al grupo de robots, lo que nuevamente reduce el costo computacional de la solución sin repercusiones considerables en la precisión de la localización. Los algoritmos propuestos son probados extensivamente mediante simulación y en distintas plataformas, principalmente en el LEGO NXT. Se presentan además ejecuciones de tiempo extendido que comprueban la estabilidad y robustez del método en largas distancias.Marin Paniagua, LJ. (2014). Localización de robots móviles de recursos limitados basada en fusión sensorial por eventos [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/38902TESI