A multi-agent system for on-the-fly web map generation and spatial conflict resolution

Résumé Internet est devenu un moyen de diffusion de l’information géographique par excellence. Il offre de plus en plus de services cartographiques accessibles par des milliers d’internautes à travers le monde. Cependant, la qualité de ces services doit être améliorée, principalement en matière de personnalisation. A cette fin, il est important que la carte générée corresponde autant que possible aux besoins, aux préférences et au contexte de l’utilisateur. Ce but peut être atteint en appliquant les transformations appropriées, en temps réel, aux objets de l’espace à chaque cycle de génération de la carte. L’un des défis majeurs de la génération d’une carte à la volée est la résolution des conflits spatiaux qui apparaissent entre les objets, essentiellement à cause de l’espace réduit des écrans d’affichage. Dans cette thèse, nous proposons une nouvelle approche basée sur la mise en œuvre d’un système multiagent pour la génération à la volée des cartes et la résolution des conflits spatiaux. Cette approche est basée sur l’utilisation de la représentation multiple et la généralisation cartographique. Elle résout les conflits spatiaux et génère les cartes demandées selon une stratégie innovatrice : la génération progressive des cartes par couches d’intérêt. Chaque couche d’intérêt contient tous les objets ayant le même degré d’importance pour l’utilisateur. Ce contenu est déterminé à la volée au début du processus de génération de la carte demandée. Notre approche multiagent génère et transfère cette carte suivant un mode parallèle. En effet, une fois une couche d’intérêt générée, elle est transmise à l’utilisateur. Dans le but de résoudre les conflits spatiaux, et par la même occasion générer la carte demandée, nous affectons un agent logiciel à chaque objet de l’espace. Les agents entrent ensuite en compétition pour l’occupation de l’espace disponible. Cette compétition est basée sur un ensemble de priorités qui correspondent aux différents degrés d’importance des objets pour l’utilisateur. Durant la résolution des conflits, les agents prennent en considération les besoins et les préférences de l’utilisateur afin d’améliorer la personnalisation de la carte. Ils améliorent la lisibilité des objets importants et utilisent des symboles qui pourraient aider l’utilisateur à mieux comprendre l’espace géographique. Le processus de génération de la carte peut être interrompu en tout temps par l’utilisateur lorsque les données déjà transmises répondent à ses besoins. Dans ce cas, son temps d’attente est réduit, étant donné qu’il n’a pas à attendre la génération du reste de la carte. Afin d’illustrer notre approche, nous l’appliquons au contexte de la cartographie sur le web ainsi qu’au contexte de la cartographie mobile. Dans ces deux contextes, nous catégorisons nos données, qui concernent la ville de Québec, en quatre couches d’intérêt contenant les objets explicitement demandés par l’utilisateur, les objets repères, le réseau routier et les objets ordinaires qui n’ont aucune importance particulière pour l’utilisateur. Notre système multiagent vise à résoudre certains problèmes liés à la génération à la volée des cartes web. Ces problèmes sont les suivants : 1. Comment adapter le contenu des cartes, à la volée, aux besoins des utilisateurs ? 2. Comment résoudre les conflits spatiaux de manière à améliorer la lisibilité de la carte tout en prenant en considération les besoins de l’utilisateur ? 3. Comment accélérer la génération et le transfert des données aux utilisateurs ? Les principales contributions de cette thèse sont : 1. La résolution des conflits spatiaux en utilisant les systèmes multiagent, la généralisation cartographique et la représentation multiple. 2. La génération des cartes dans un contexte web et dans un contexte mobile, à la volée, en utilisant les systèmes multiagent, la généralisation cartographique et la représentation multiple. 3. L’adaptation des contenus des cartes, en temps réel, aux besoins de l’utilisateur à la source (durant la première génération de la carte). 4. Une nouvelle modélisation de l’espace géographique basée sur une architecture multi-couches du système multiagent. 5. Une approche de génération progressive des cartes basée sur les couches d’intérêt. 6. La génération et le transfert, en parallèle, des cartes aux utilisateurs, dans les contextes web et mobile.Abstract Internet is a fast growing medium to get and disseminate geospatial information. It provides more and more web mapping services accessible by thousands of users worldwide. However, the quality of these services needs to be improved, especially in term of personalization. In order to increase map flexibility, it is important that the map corresponds as much as possible to the user’s needs, preferences and context. This may be possible by applying the suitable transformations, in real-time, to spatial objects at each map generation cycle. An underlying challenge of such on-the-fly map generation is to solve spatial conflicts that may appear between objects especially due to lack of space on display screens. In this dissertation, we propose a multiagent-based approach to address the problems of on-the-fly web map generation and spatial conflict resolution. The approach is based upon the use of multiple representation and cartographic generalization. It solves conflicts and generates maps according to our innovative progressive map generation by layers of interest approach. A layer of interest contains objects that have the same importance to the user. This content, which depends on the user’s needs and the map’s context of use, is determined on-the-fly. Our multiagent-based approach generates and transfers data of the required map in parallel. As soon as a given layer of interest is generated, it is transmitted to the user. In order to generate a given map and solve spatial conflicts, we assign a software agent to every spatial object. Then, the agents compete for space occupation. This competition is driven by a set of priorities corresponding to the importance of objects for the user. During processing, agents take into account users’ needs and preferences in order to improve the personalization of the final map. They emphasize important objects by improving their legibility and using symbols in order to help the user to better understand the geographic space. Since the user can stop the map generation process whenever he finds the required information from the amount of data already transferred, his waiting delays are reduced. In order to illustrate our approach, we apply it to the context of tourist web and mobile mapping applications. In these contexts, we propose to categorize data into four layers of interest containing: explicitly required objects, landmark objects, road network and ordinary objects which do not have any specific importance for the user. In this dissertation, our multiagent system aims at solving the following problems related to on-the-fly web mapping applications: 1. How can we adapt the contents of maps to users’ needs on-the-fly? 2. How can we solve spatial conflicts in order to improve the legibility of maps while taking into account users’ needs? 3. How can we speed up data generation and transfer to users? The main contributions of this thesis are: 1. The resolution of spatial conflicts using multiagent systems, cartographic generalization and multiple representation. 2. The generation of web and mobile maps, on-the-fly, using multiagent systems, cartographic generalization and multiple representation. 3. The real-time adaptation of maps’ contents to users’ needs at the source (during the first generation of the map). 4. A new modeling of the geographic space based upon a multi-layers multiagent system architecture. 5. A progressive map generation approach by layers of interest. 6. The generation and transfer of web and mobile maps at the same time to users

A review of artificial intelligence applied to path planning in UAV swarms

This version of the article has been accepted for publication, after peer review and is subject to Springer Nature’s AM terms of use, but is not the Version of Record and does not reflect post-acceptance improvements, or any corrections. The Version of Record is available online at: https://doi.org/10.1007/ s00521-021-06569-4This is the accepted version of: A. Puente-Castro, D. Rivero, A. Pazos, and E. Fernández-Blanco, "A review of artificial intelligence applied to path planning in UAV swarms", Neural Computing and Applications, vol. 34, pp. 153–170, 2022. https://doi.org/10.1007/s00521-021-06569-4[Abstract]: Path Planning problems with Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) are among the most studied knowledge areas in the related literature. However, few of them have been applied to groups of UAVs. The use of swarms allows to speed up the flight time and, thus, reducing the operational costs. When combined with Artificial Intelligence (AI) algorithms, a single system or operator can control all aircraft while optimal paths for each one can be computed. In order to introduce the current situation of these AI-based systems, a review of the most novel and relevant articles was carried out. This review was performed in two steps: first, a summary of the found articles; second, a quantitative analysis of the publications found based on different factors, such as the temporal evolution or the number of articles found based on different criteria. Therefore, this review provides not only a summary of the most recent work but it gives an overview of the trend in the use of AI algorithms in UAV swarms for Path Planning problems. The AI techniques of the articles found can be separated into four main groups based on their technique: reinforcement Learning techniques, Evolutive Computing techniques, Swarm Intelligence techniques, and, Graph Neural Networks. The final results show an increase in publications in recent years and that there is a change in the predominance of the most widely used techniques.This work is supported by Instituto de Salud Carlos III, grant number PI17/01826 (Collaborative Project in Genomic Data Integration (CICLOGEN) funded by the Instituto de Salud Carlos III from the Spanish National plan for Scientific and Technical Research and Innovation 2013–2016 and the European Regional Development Funds (FEDER)—“A way to build Europe.”. This project was also supported by the General Directorate of Culture, Education and University Management of Xunta de Galicia ED431D 2017/16 and “Drug Discovery Galician Network” Ref. ED431G/01 and the “Galician Network for Colorectal Cancer Research” (Ref. ED431D 2017/23). This work was also funded by the grant for the consolidation and structuring of competitive research units (ED431C 2018/49) from the General Directorate of Culture, Education and University Management of Xunta de Galicia, and the CYTED network (PCI2018_093284) funded by the Spanish Ministry of Ministry of Innovation and Science. This project was also supported by the General Directorate of Culture, Education and University Management of Xunta de Galicia “PRACTICUM DIRECT” Ref. IN845D-2020/03.Xunta de Galicia; ED431D 2017/16Xunta de Galicia; ED431G/01Xunta de Galicia; ED431D 2017/23Xunta de Galicia; ED431C 2018/49Xunta de Galicia; IN845D-2020/0

Intégration des algorithmes de généralisation et des patrons géométriques pour la création des objets auto-généralisants (SGO) afin d'améliorer la généralisation cartographique à la volée

Le développement technologique de ces dernières années a eu comme conséquence la démocratisation des données spatiales. Ainsi, des applications comme la cartographie en ligne et les SOLAP qui permettent d’accéder à ces données ont fait leur apparition. Malheureusement, ces applications sont très limitées du point de vue cartographique car elles ne permettent pas une personnalisation flexible des cartes demandées par l’utilisateur. Pour permettre de générer des produits plus adaptés aux besoins des utilisateurs de ces technologies, les outils de visualisation doivent permettre entre autres de générer des données à des échelles variables choisies par l'utilisateur. Pour cela, une solution serait d’utiliser la généralisation cartographique automatique afin de générer les données à différentes échelles à partir d’une base de données unique à grande échelle. Mais, compte tenu de la nature interactive de ces applications, cette généralisation doit être réalisée à la volée. Depuis plus de trois décennies, la généralisation automatique est devenue un sujet de recherche important. Malheureusement, en dépit des avancées considérables réalisées ces dernières années, les méthodes de généralisation cartographique existantes ne garantissent pas un résultat exhaustif et une performance acceptable pour une généralisation à la volée efficace. Comme, il est actuellement impossible de créer à la volée des cartes à des échelles arbitraires à partir d’une seule carte à grande échelle, les résultats de la généralisation (i.e. les cartes à plus petites échelles générées grâce à la généralisation cartographique) sont stockés dans une base de données à représentation multiple (RM) en vue d’une éventuelle utilisation. Par contre, en plus du manque de flexibilité (car les échelles sont prédéfinies), la RM introduit aussi la redondance à cause du fait que plusieurs représentations de chaque objet sont stockées dans la même base de données. Tout ceci empêche parfois les utilisateurs d’avoir des données avec un niveau d’abstraction qui correspond exactement à leurs besoins. Pour améliorer le processus de la généralisation à la volée, cette thèse propose une approche basée sur un nouveau concept appelé SGO (objet auto-généralisant: Self-Generalizing Object). Le SGO permet d’encapsuler des patrons géométriques (des formes géométriques génériques communes à plusieurs objets de la carte), des algorithmes de généralisation et des contraintes d’intégrité dans un même objet cartographique. Les SGO se basent sur un processus d’enrichissement de la base de données qui permet d’introduire les connaissances du cartographe dans les données cartographiques plutôt que de les générer à l’aide des algorithmes comme c’est typiquement le cas. Un SGO est créé pour chaque objet individuel (ex. un bâtiment) ou groupe d’objets (ex. des bâtiments alignés). Les SGO sont dotés de comportements spécifiques qui leur permettent de s'auto-généraliser, c.-à-d. de savoir comment généraliser l’objet qu’ils représentent lors d’un changement d’abstraction (ex. changement d’échelle). Comme preuve de concept, deux prototypes basés sur des technologies Open Source ont été développés lors de cette thèse. Le premier permet la création des SGO et l’enrichissement de la base de données. Le deuxième prototype basé sur la technologie multi-agent, utilise les SGO créés pour générer des données à des échelles arbitraires grâce à un processus de généralisation à la volée. Pour tester les prototypes, des données réelles de la ville de Québec à l’échelle 1 : 1000 ont été utilisées.With the technological development of these past years, geospatial data became increasingly accessible to general public. New applications such as Webmapping or SOLAP which allow visualising the data also appeared. However, the dynamic and interactive nature of these new applications requires that all operations, including generalization processes, must be carried on-the–fly. Automatic generalization has been an important research topic for more than thirty years. In spite of recent advances, it clearly appears that actual generalization methods can not reach alone the degree of automation and the response time needed by these new applications. To improve the process of on-the-fly map generalization, this thesis proposes an approach based on a new concept called SGO (Self-generalizing object). The SGO allows to encapsulate geometric patterns (generic geometric forms common to several map features), generalization algorithms and the spatial integrity constraints in the same object. This approach allows us to include additional human expertise in an efficient way at the level of individual cartographic features, which then leads to database enrichment that better supports automatic generalization. Thus, during a database enrichment process, a SGO is created and associated with a cartographic feature, or a group of features. Then, each created SGO is transformed into a software agent (SGO agent) in order to give them autonomy. SGO agents are equipped with behaviours which enable them to coordinate the generalization process. As a proof of concept, two prototypes based on Open Source technologies were developed in this thesis. The first prototype allows the creation of the SGO. The second prototype based on multi-agents technology, uses the created SGO in order to generate data on arbitrary scales thanks to an on-the-fly map generalization process. Real data of Quebec City at scale 1: 1000 were used in order to test the developed prototypes

Human-Machine Collaborative Optimization via Apprenticeship Scheduling

Coordinating agents to complete a set of tasks with intercoupled temporal and resource constraints is computationally challenging, yet human domain experts can solve these difficult scheduling problems using paradigms learned through years of apprenticeship. A process for manually codifying this domain knowledge within a computational framework is necessary to scale beyond the ``single-expert, single-trainee" apprenticeship model. However, human domain experts often have difficulty describing their decision-making processes, causing the codification of this knowledge to become laborious. We propose a new approach for capturing domain-expert heuristics through a pairwise ranking formulation. Our approach is model-free and does not require enumerating or iterating through a large state space. We empirically demonstrate that this approach accurately learns multifaceted heuristics on a synthetic data set incorporating job-shop scheduling and vehicle routing problems, as well as on two real-world data sets consisting of demonstrations of experts solving a weapon-to-target assignment problem and a hospital resource allocation problem. We also demonstrate that policies learned from human scheduling demonstration via apprenticeship learning can substantially improve the efficiency of a branch-and-bound search for an optimal schedule. We employ this human-machine collaborative optimization technique on a variant of the weapon-to-target assignment problem. We demonstrate that this technique generates solutions substantially superior to those produced by human domain experts at a rate up to 9.5 times faster than an optimization approach and can be applied to optimally solve problems twice as complex as those solved by a human demonstrator.Comment: Portions of this paper were published in the Proceedings of the International Joint Conference on Artificial Intelligence (IJCAI) in 2016 and in the Proceedings of Robotics: Science and Systems (RSS) in 2016. The paper consists of 50 pages with 11 figures and 4 table

On-the-fly synthesizer programming with rule learning

This manuscript explores automatic programming of sound synthesis algorithms within the context of the performative artistic practice known as live coding. Writing source code in an improvised way to create music or visuals became an instrument the moment affordable computers were able to perform real-time sound synthesis with languages that keep their interpreter running. Ever since, live coding has dealt with real time programming of synthesis algorithms. For that purpose, one possibility is an algorithm that automatically creates variations out of a few presets selected by the user. However, the need for real-time feedback and the small size of the data sets (which can even be collected mid-performance) are constraints that make existing automatic sound synthesizer programmers and learning algorithms unfeasible. Also, the design of such algorithms is not oriented to create variations of a sound but rather to find the synthesizer parameters that match a given one. Other approaches create representations of the space of possible sounds, allowing the user to explore it by means of interactive evolution. Even though these systems are exploratory-oriented, they require longer run-times. This thesis investigates inductive rule learning for on-the-fly synthesizer programming. This approach is conceptually different from those found in both synthesizer programming and live coding literature. Rule models offer interpretability and allow working with the parameter values of the synthesis algorithms (even with symbolic data), making preprocessing unnecessary. RuLer, the proposed learning algorithm, receives a dataset containing user labeled combinations of parameter values of a synthesis algorithm. Among those combinations sharing the same label, it analyses the patterns based on dissimilarity. These patterns are described as an IF-THEN rule model. The algorithm parameters provide control to define what is considered a pattern. As patterns are the base for inducting new parameter settings, the algorithm parameters control the degree of consistency of the inducted settings respect to the original input data. An algorithm (named FuzzyRuLer) able to extend IF-THEN rules to hyperrectangles, which in turn are used as the cores of membership functions, is presented. The resulting fuzzy rule model creates a map of the entire input feature space. For such a pursuit, the algorithm generalizes the logical rules solving the contradictions by following a maximum volume heuristics. Across the manuscript it is discussed how, when machine learning algorithms are used as creative tools, glitches, errors or inaccuracies produced by the resulting models are sometimes desirable as they might offer novel, unpredictable results. The evaluation of the algorithms follows two paths. The first focuses on user tests. The second responds to the fact that this work was carried out within the computer science department and is intended to provide a broader, nonspecific domain evaluation of the algorithms performance using extrinsic benchmarks (i.e not belonging to a synthesizer's domain) for cross validation and minority oversampling. In oversampling tasks, using imbalanced datasets, the algorithm yields state-of-the-art results. Moreover, the synthetic points produced are significantly different from those created by the other algorithms and perform (controlled) exploration of more distant regions. Finally, accompanying the research, various performances, concerts and an album were produced with the algorithms and examples of this thesis. The reviews received and collections where the album has been featured show a positive reception within the community. Together, these evaluations suggest that rule learning is both an effective method and a promising path for further research.Aquest manuscrit explora la programació automàtica d’algorismes de síntesi de so dins del context de la pràctica artística performativa coneguda com a live coding. L'escriptura improvisada de codi font per crear música o visuals es va convertir en un instrument en el moment en què els ordinadors van poder realitzar síntesis de so en temps real amb llenguatges que mantenien el seu intèrpret en funcionament. D'aleshores ençà, el live coding comporta la programació en temps real d’algorismes de síntesi de so. Per a aquest propòsit, una possibilitat és tenir un algorisme que creï automàticament variacions a partir d'alguns presets seleccionats. No obstant, la necessitat de retroalimentació en temps real i la petita mida dels conjunts de dades són restriccions que fan que els programadors automàtics de sintetitzadors de so i els algorismes d’aprenentatge no siguin factibles d’utilitzar. A més, el seu disseny no està orientat a crear variacions d'un so, sinó a trobar els paràmetres del sintetitzador que aplicats a l'algorisme de síntesi produeixen un so determinat (target). Altres enfocaments creen representacions de l'espai de sons possibles, per permetre a l'usuari explorar-lo mitjançant l'evolució interactiva, però requereixen temps més llargs. Aquesta tesi investiga l'aprenentatge inductiu de regles per a la programació on-the-fly de sintetitzadors. Aquest enfocament és conceptualment diferent dels que es troben a la literatura. Els models de regles ofereixen interpretabilitat i permeten treballar amb els valors dels paràmetres dels algorismes de síntesi, sense processament previ. RuLer, l'algorisme d'aprenentatge proposat, rep dades amb combinacions etiquetades per l'usuari dels valors dels paràmetres d'un algorisme de síntesi. A continuació, analitza els patrons, basats en la dissimilitud, entre les combinacions de cada etiqueta. Aquests patrons es descriuen com un model de regles IF-THEN. Els paràmetres de l'algorisme proporcionen control per definir el que es considera un patró. Llavors, controlen el grau de consistència dels nous paràmetres de síntesi induïts respecte a les dades d'entrada originals. A continuació, es presenta un algorisme (FuzzyRuLer) capaç d’estendre les regles IF-THEN a hiperrectangles, que al seu torn s’utilitzen com a nuclis de funcions de pertinença. El model de regles difuses resultant crea un mapa complet de l'espai de la funció d'entrada. Per això, l'algorisme generalitza les regles lògiques seguint una heurística de volum màxim. Al llarg del manuscrit es discuteix com, quan s’utilitzen algorismes d’aprenentatge automàtic com a eines creatives, de vegades són desitjables glitches, errors o imprecisions produïdes pels models resultants, ja que poden oferir nous resultats imprevisibles. L'avaluació dels algorismes segueix dos camins. El primer es centra en proves d'usuari. El segon, que respon al fet que aquest treball es va dur a terme dins del departament de ciències de la computació, pretén proporcionar una avaluació més àmplia, no específica d'un domini, del rendiment dels algorismes mitjançant benchmarks extrínsecs utilitzats per cross-validation i minority oversampling. En tasques d'oversampling, mitjançant imbalanced data sets, l'algorisme proporciona resultats equiparables als de l'estat de l'art. A més, els punts sintètics produïts són significativament diferents als creats pels altres algorismes i realitzen exploracions (controlades) de regions més llunyanesEste manuscrito explora la programación automática de algoritmos de síntesis de sonido dentro del contexto de la práctica artística performativa conocida como live coding. La escritura de código fuente de forma improvisada para crear música o imágenes, se convirtió en un instrumento en el momento en que las computadoras asequibles pudieron realizar síntesis de sonido en tiempo real con lenguajes que mantuvieron su interprete en funcionamiento. Desde entonces, el live coding ha implicado la programación en tiempo real de algoritmos de síntesis. Para ese propósito, una posibilidad es tener un algoritmo que cree automáticamente variaciones a partir de unos pocos presets seleccionados. Sin embargo, la necesidad de retroalimentación en tiempo real y el pequeño tamaño de los conjuntos de datos (que incluso pueden recopilarse durante la misma actuación), limitan el uso de los algoritmos existentes, tanto de programación automática de sintetizadores como de aprendizaje de máquina. Además, el diseño de dichos algoritmos no está orientado a crear variaciones de un sonido, sino a encontrar los parámetros del sintetizador que coincidan con un sonido dado. Otros enfoques crean representaciones del espacio de posibles sonidos, para permitir al usuario explorarlo mediante evolución interactiva. Aunque estos sistemas están orientados a la exploración, requieren tiempos más largos. Esta tesis investiga el aprendizaje inductivo de reglas para la programación de sintetizadores on-the-fly. Este enfoque es conceptualmente diferente de los que se encuentran en la literatura, tanto de programación de sintetizadores como de live coding. Los modelos de reglas ofrecen interpretabilidad y permiten trabajar con los valores de los parámetros de los algoritmos de síntesis (incluso con datos simbólicos), haciendo innecesario el preprocesamiento. RuLer, el algoritmo de aprendizaje propuesto, recibe un conjunto de datos que contiene combinaciones, etiquetadas por el usuario, de valores de parámetros de un algoritmo de síntesis. Luego, analiza los patrones, en función de la disimilitud, entre las combinaciones de cada etiqueta. Estos patrones se describen como un modelo de reglas lógicas IF-THEN. Los parámetros del algoritmo proporcionan el control para definir qué se considera un patrón. Como los patrones son la base para inducir nuevas configuraciones de parámetros, los parámetros del algoritmo controlan también el grado de consistencia de las configuraciones inducidas con respecto a los datos de entrada originales. Luego, se presenta un algoritmo (llamado FuzzyRuLer) capaz de extender las reglas lógicas tipo IF-THEN a hiperrectángulos, que a su vez se utilizan como núcleos de funciones de pertenencia. El modelo de reglas difusas resultante crea un mapa completo del espacio de las clases de entrada. Para tal fin, el algoritmo generaliza las reglas lógicas resolviendo las contradicciones utilizando una heurística de máximo volumen. A lo largo del manuscrito se analiza cómo, cuando los algoritmos de aprendizaje automático se utilizan como herramientas creativas, los glitches, errores o inexactitudes producidas por los modelos resultantes son a veces deseables, ya que pueden ofrecer resultados novedosos e impredecibles. La evaluación de los algoritmos sigue dos caminos. El primero se centra en pruebas de usuario. El segundo, responde al hecho de que este trabajo se llevó a cabo dentro del departamento de ciencias de la computación y está destinado a proporcionar una evaluación más amplia, no de dominio específica, del rendimiento de los algoritmos utilizando beanchmarks extrínsecos para cross-validation y oversampling. En estas últimas pruebas, utilizando conjuntos de datos no balanceados, el algoritmo produce resultados equiparables a los del estado del arte. Además, los puntos sintéticos producidos son significativamente diferentes de los creados por los otros algoritmos y realizan una exploración (controlada) de regiones más distantes. Finalmente, acompañando la investigación, realicé diversas presentaciones, conciertos y un ´álbum utilizando los algoritmos y ejemplos de esta tesis. Las críticas recibidas y las listas donde se ha presentado el álbum muestran una recepción positiva de la comunidad. En conjunto, estas evaluaciones sugieren que el aprendizaje de reglas es al mismo tiempo un método eficaz y un camino prometedor para futuras investigaciones.Postprint (published version

Algorithms for multi-robot systems on the cooperative exploration & last-mile delivery problems

La aparición de los vehículos aéreos no tripulados (UAVs) y de los vehículos terrestres no tripulados (UGVs) ha llevado a la comunidad científica a enfrentarse a problemas ideando paradigmas de cooperación con UGVs y UAVs. Sin embargo, no suele ser trivial determinar si la cooperación entre UGVs y UAVs es adecuada para un determinado problema. Por esta razón, en esta tesis, investigamos un paradigma particular de cooperación UGV-UAV en dos problemas de la literatura, y proponemos un controlador autónomo para probarlo en escenarios simulados. Primero, formulamos un problema particular de exploración cooperativa que consiste en alcanzar un conjunto de puntos de destino en un área de exploración a gran escala. Este problema define al UGV como una estación de carga móvil para transportar el UAV a través de diferentes lugares desde donde el UAV puede alcanzar los puntos de destino. Por consiguiente, proponemos el algoritmo TERRA para resolverlo. Este algoritmo se destaca por dividir el problema de exploración en cinco subproblemas, en los que cada subproblema se resuelve en una etapa particular del algoritmo. Debido a la explosión de la entrega de paquetes en las empresas de comercio electrónico, formulamos también una generalización del conocido problema de la entrega en la última milla. En este caso, el UGV actúa como una estación de carga móvil que transporta a los paquetes y a los UAVs, y estos se encargan de entregarlos. De esta manera, seguimos la estrategia de división descrita por TERRA, y proponemos el algoritmo COURIER. Este algoritmo replica las cuatro primeras etapas de TERRA, pero construye una nueva quinta etapa para producir un plan de tareas que resuelva el problema. Para evaluar el paradigma de cooperación UGV-UAV en escenarios simulados, proponemos el controlador autónomo ARIES. Este controlador sigue un enfoque jerárquico descentralizado de líder-seguidor para integrar cualquier paradigma de cooperación de manera distribuida. Ambos algoritmos han sido caracterizados para identificar los aspectos relevantes del paradigma de cooperación en los problemas relacionados. Además, ambos demuestran un gran rendimiento del paradigma de cooperación en tales problemas, y al igual que el controlador autónomo, revelan un gran potencial para futuras aplicaciones reales.The emergence of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) and Unmanned Ground Vehicles (UGVs) has conducted the research community to face historical complex problems by devising UGV-UAV cooperation paradigms. However, it is usually not a trivial task to determine whether or not a UGV-UAV cooperation is suitable for a particular problem. For this reason, in this thesis, we investigate a particular UGV-UAV cooperation paradigm over two problems in the literature, and we propose an autonomous controller to test it on simulated scenarios. Driven by the planetary exploration, we formulate a particular cooperative exploration problem consisting of reaching a set of target points in a large-scale exploration area. This problem defines the UGV as a moving charging station to carry the UAV through different locations from where the UAV can reach the target points. Consequently, we propose the cooperaTive ExploRation Routing Algorithm (TERRA) to solve it. This algorithm stands out for splitting up the exploration problem into five sub-problems, in which each sub-problem is solved in a particular stage of the algorithm. In the same way, driven by the explosion of parcels delivery in e-commerce companies, we formulate a generalization of the well-known last-mile delivery problem. This generalization defines the same UGV’s and UAV’s rol as the exploration problem. That is, the UGV acts as a moving charging station which carries the parcels along several UAVs to deliver them. In this way, we follow the split strategy depicted by TERRA to propose the COoperative Unmanned deliveRIEs planning algoRithm (COURIER). This algorithm replicates the first four TERRA’s stages, but it builds a new fifth stage to produce a task plan solving the problem. In order to evaluate the UGV-UAV cooperation paradigm on simulated scenarios, we propose the Autonomous coopeRatIve Execution System (ARIES). This controller follows a hierarchical decentralized leader-follower approach to integrate any cooperation paradigm in a distributed manner. Both algorithms have been characterized to identify the relevant aspects of the cooperation paradigm in the related problems. Also, both of them demonstrate a great performance of the cooperation paradigm in such problems, and as well as the autonomous controller, reveal a great potential for future real applications