A robot swarm assisting a human fire-fighter

Emergencies in industrial warehouses are a major concern for fire-fighters. The large dimensions, together with the development of dense smoke that drastically reduces visibility, represent major challenges. The GUARDIANS robot swarm is designed to assist fire-fighters in searching a large warehouse. In this paper we discuss the technology developed for a swarm of robots assisting fire-fighters. We explain the swarming algorithms that provide the functionality by which the robots react to and follow humans while no communication is required. Next we discuss the wireless communication system, which is a so-called mobile ad-hoc network. The communication network provides also the means to locate the robots and humans. Thus, the robot swarm is able to provide guidance information to the humans. Together with the fire-fighters we explored how the robot swarm should feed information back to the human fire-fighter. We have designed and experimented with interfaces for presenting swarm-based information to human beings

GUARDIANS final report part 1 (draft): a robot swarm assisting a human fire fighter

Emergencies in industrial warehouses are a major concern for fire fighters. The large dimensions together with the development of dense smoke that drastically reduces visibility, represent major challenges. The Guardians robot swarm is designed to assist re ghters in searching a large warehouse. In this paper we discuss the technology developed for a swarm of robots assisting re ghters. We explain the swarming algorithms which provide the functionality by which the robots react to and follow humans while no communication is required. Next we discuss the wireless communication system, which is a so-called mobile ad-hoc network. The communication network provides also the means to locate the robots and humans. Thus the robot swarm is able to provide guidance information to the humans. Together with the fire fighters we explored how the robot swarm should feed information back to the human fire fighter. We have designed and experimented with interfaces for presenting swarm based information to human beings

GUARDIANS final report

Emergencies in industrial warehouses are a major concern for firefghters. The large dimensions together with the development of dense smoke that drastically reduces visibility, represent major challenges. The Guardians robot swarm is designed to assist fire fighters in searching a large warehouse. In this report we discuss the technology developed for a swarm of robots searching and assisting fire fighters. We explain the swarming algorithms which provide the functionality by which the robots react to and follow humans while no communication is required. Next we discuss the wireless communication system, which is a so-called mobile ad-hoc network. The communication network provides also one of the means to locate the robots and humans. Thus the robot swarm is able to locate itself and provide guidance information to the humans. Together with the re ghters we explored how the robot swarm should feed information back to the human fire fighter. We have designed and experimented with interfaces for presenting swarm based information to human beings

AAPOR Report on Big Data

In recent years we have seen an increase in the amount of statistics in society describing different phenomena based on so called Big Data. The term Big Data is used for a variety of data as explained in the report, many of them characterized not just by their large volume, but also by their variety and velocity, the organic way in which they are created, and the new types of processes needed to analyze them and make inference from them. The change in the nature of the new types of data, their availability, the way in which they are collected, and disseminated are fundamental. The change constitutes a paradigm shift for survey research.There is a great potential in Big Data but there are some fundamental challenges that have to be resolved before its full potential can be realized. In this report we give examples of different types of Big Data and their potential for survey research. We also describe the Big Data process and discuss its main challenges

Software architecture for self-driving navigation

Mención Internacional en el título de doctorThis dissertation is based on the development of the navigation software architecture for self-driving vehicles. The goal is very wide in terms of multidisciplinary fields over the different solutions provided, however, functional solutions for the implementation according to the software architecture has been proved and tested in the real research platform iCab (Intelligent Campus Automobile). The problems that the autonomous vehicles have to face are based accordingly as the three questions of navigation that each vehicle has to ask: Where am I, where should I go, and how can I go there. These questions are followed by the corresponding modules to solve that are divided into localization, planning, mapping, perception and control in addition to multitasking allocation, communication and Human-Machine Interaction. One more module is the self-awareness which is an optimal solution for detecting problems in the earliest stage. Throughout this document, the solution provided in form of a complete architecture for navigation describes the modules involved and the importance of software connections between them, generation of trajectories, mapping, localization and low level control. Finally, the results section describes scenarios and vehicle/software performance in terms of CPU for each module involved and the generation of trajectories, maps and control commands needed to move the vehicle from one point to another.Este documento es el resultado de cinco años de trabajo en el campo de los vehículos sin conductor donde, en el, se recoge el desarrollo de una arquitectura software de control para la navegación de este tipo de vehículos. El objetivo es muy ambicioso ya que para su desarrollo ha sido necesario el conocimiento de múltiples disciplinas como ingeniería electrónica, ingeniería informática, ingeniería de control, procesamiento de señales, mecánica y visión por computador. A pesar del vasto conocimiento necesario para lograr un vehículo funcional, se han alcanzado soluciones para cada uno de los problemas en que consiste la navegación autónoma, generando un vehículo autogobernado que toma decisiones por si mismo para evitar obstáculos y alcanzar los puntos de destino deseados. Los problemas principales que los vehículos autónomos tienen que hacer frente, están basados en tres preguntas principales: donde estoy, donde tengo que ir y como voy. Para responder a estas tres preguntas se ha dividido la arquitectura en los módulos siguientes: localización, planificación, mapeado del entorno y control junto con módulos extra para dotar al sistema de mas aptitudes y mejor funcionamiento como por ejemplo la comunicación entre vehículos, peatones e infraestructuras, la interacción humano máquina, la gestión de tareas con múltiples vehículos o la propia consciencia del vehículo en cuanto a su estado de baterías, mantenimiento, sensores conectados o desconectados, etc. A través de este documento, la solución proporcionada a cada uno de los módulos involucrados refleja la importancia de las conexiones de software y la comunicación entre procesos dentro de la arquitectura ya sea para la generación de trayectorias, la creación de los mapas a tiempo, la localización precisa en el entorno, o los comandos generados para gobernar el vehículo. Así mismo, en el apartado de resultados se pone de manifiesto la importancia de cumplir los plazos de compartición de mensajes y optimizar el sistema para no sobrecargar la CPU.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y AutomáticaPresidente: Felipe Jiménez Alonso.- Secretario: Agapito Ismael Ledezma Espino.- Vocal: Alessio Malizi

Emergent coordination between humans and robots

Emergent coordination or movement synchronization is an often observed phenomenon in human behavior. Humans synchronize their gait when walking next to each other, they synchronize their postural sway when standing closely, and they also synchronize their movement behavior in many other situations of daily life. Why humans are doing this is an important question of ongoing research in many disciplines: apparently movement synchronization plays a role in children’s development and learning; it is related to our social and emotional behavior in interaction with others; it is an underlying principle in the organization of communication by means of language and gesture; and finally, models explaining movement synchronization between two individuals can also be extended to group behavior. Overall, one can say that movement synchronization is an important principle of human interaction behavior. Besides interacting with other humans, in recent years humans do more and more interact with technology. This was first expressed in the interaction with machines in industrial settings, was taken further to human-computer interaction and is now facing a new challenge: the interaction with active and autonomous machines, the interaction with robots. If the vision of today’s robot developers comes true, in the near future robots will be fully integrated not only in our workplace, but also in our private lives. They are supposed to support humans in activities of daily living and even care for them. These circumstances however require the development of interactional principles which the robot can apply to the direct interaction with humans. In this dissertation the problem of robots entering the human society will be outlined and the need for the exploration of human interaction principles that are transferable to human-robot interaction will be emphasized. Furthermore, an overview on human movement synchronization as a very important phenomenon in human interaction will be given, ranging from neural correlates to social behavior. The argument of this dissertation is that human movement synchronization is a simple but striking human interaction principle that can be applied in human-robot interaction to support human activity of daily living, demonstrated on the example of pick-and-place tasks. This argument is based on five publications. In the first publication, human movement synchronization is explored in goal-directed tasks which bare similar requirements as pick-and-place tasks in activities of daily living. In order to explore if a merely repetitive action of the robot is sufficient to encourage human movement synchronization, the second publication reports a human-robot interaction study in which a human interacts with a non-adaptive robot. Here however, movement synchronization between human and robot does not emerge, which underlines the need for adaptive mechanisms. Therefore, in the third publication, human adaptive behavior in goal-directed movement synchronization is explored. In order to make the findings from the previous studies applicable to human-robot interaction, in the fourth publication the development of an interaction model based on dynamical systems theory is outlined which is ready for implementation on a robotic platform. Following this, a brief overview on a first human-robot interaction study based on the developed interaction model is provided. The last publication describes an extension of the previous approach which also includes the human tendency to make use of events to adapt their movements to. Here, also a first human-robot interaction study is reported which confirms the applicability of the model. The dissertation concludes with a discussion on the presented findings in the light of human-robot interaction and psychological aspects of joint action research as well as the problem of mutual adaptation.Spontan auftretende Koordination oder Bewegungssynchronisierung ist ein häufig zu beobachtendes Phänomen im Verhalten von Menschen. Menschen synchronisieren ihre Schritte beim nebeneinander hergehen, sie synchronisieren die Schwingbewegung zum Ausgleich der Körperbalance wenn sie nahe beieinander stehen und sie synchronisieren ihr Bewegungsverhalten generell in vielen weiteren Handlungen des täglichen Lebens. Die Frage nach dem warum ist eine Frage mit der sich die Forschung in der Psychologie, Neuro- und Bewegungswissenschaft aber auch in der Sozialwissenschaft nach wie vor beschäftigt: offenbar spielt die Bewegungssynchronisierung eine Rolle in der kindlichen Entwicklung und beim Erlernen von Fähigkeiten und Verhaltensmustern; sie steht in direktem Bezug zu unserem sozialen Verhalten und unserer emotionalen Wahrnehmung in der Interaktion mit Anderen; sie ist ein grundlegendes Prinzip in der Organisation von Kommunikation durch Sprache oder Gesten; außerdem können Modelle, die Bewegungssynchronisierung zwischen zwei Individuen erklären, auch auf das Verhalten innerhalb von Gruppen ausgedehnt werden. Insgesamt kann man also sagen, dass Bewegungssynchronisierung ein wichtiges Prinzip im menschlichen Interaktionsverhalten darstellt. Neben der Interaktion mit anderen Menschen interagieren wir in den letzten Jahren auch zunehmend mit der uns umgebenden Technik. Hier fand zunächst die Interaktion mit Maschinen im industriellen Umfeld Beachtung, später die Mensch-Computer-Interaktion. Seit kurzem sind wir jedoch mit einer neuen Herausforderung konfrontiert: der Interaktion mit aktiven und autonomen Maschinen, Maschinen die sich bewegen und aktiv mit Menschen interagieren, mit Robotern. Sollte die Vision der heutigen Roboterentwickler Wirklichkeit werde, so werden Roboter in der nahen Zukunft nicht nur voll in unser Arbeitsumfeld integriert sein, sondern auch in unser privates Leben. Roboter sollen den Menschen in ihren täglichen Aktivitäten unterstützen und sich sogar um sie kümmern. Diese Umstände erfordern die Entwicklung von neuen Interaktionsprinzipien, welche Roboter in der direkten Koordination mit dem Menschen anwenden können. In dieser Dissertation wird zunächst das Problem umrissen, welches sich daraus ergibt, dass Roboter zunehmend Einzug in die menschliche Gesellschaft finden. Außerdem wird die Notwendigkeit der Untersuchung menschlicher Interaktionsprinzipien, die auf die Mensch-Roboter-Interaktion transferierbar sind, hervorgehoben. Die Argumentation der Dissertation ist, dass die menschliche Bewegungssynchronisierung ein einfaches aber bemerkenswertes menschliches Interaktionsprinzip ist, welches in der Mensch-Roboter-Interaktion angewendet werden kann um menschliche Aktivitäten des täglichen Lebens, z.B. Aufnahme-und-Ablege-Aufgaben (pick-and-place tasks), zu unterstützen. Diese Argumentation wird auf fünf Publikationen gestützt. In der ersten Publikation wird die menschliche Bewegungssynchronisierung in einer zielgerichteten Aufgabe untersucht, welche die gleichen Anforderungen erfüllt wie die Aufnahme- und Ablageaufgaben des täglichen Lebens. Um zu untersuchen ob eine rein repetitive Bewegung des Roboters ausreichend ist um den Menschen zur Etablierung von Bewegungssynchronisierung zu ermutigen, wird in der zweiten Publikation eine Mensch-Roboter-Interaktionsstudie vorgestellt in welcher ein Mensch mit einem nicht-adaptiven Roboter interagiert. In dieser Studie wird jedoch keine Bewegungssynchronisierung zwischen Mensch und Roboter etabliert, was die Notwendigkeit von adaptiven Mechanismen unterstreicht. Daher wird in der dritten Publikation menschliches Adaptationsverhalten in der Bewegungssynchronisierung in zielgerichteten Aufgaben untersucht. Um die so gefundenen Mechanismen für die Mensch-Roboter Interaktion nutzbar zu machen, wird in der vierten Publikation die Entwicklung eines Interaktionsmodells basierend auf Dynamischer Systemtheorie behandelt. Dieses Modell kann direkt in eine Roboterplattform implementiert werden. Anschließend wird kurz auf eine erste Studie zur Mensch- Roboter Interaktion basierend auf dem entwickelten Modell eingegangen. Die letzte Publikation beschreibt eine Weiterentwicklung des bisherigen Vorgehens welche der Tendenz im menschlichen Verhalten Rechnung trägt, die Bewegungen an Ereignissen auszurichten. Hier wird außerdem eine erste Mensch-Roboter- Interaktionsstudie vorgestellt, die die Anwendbarkeit des Modells bestätigt. Die Dissertation wird mit einer Diskussion der präsentierten Ergebnisse im Kontext der Mensch-Roboter-Interaktion und psychologischer Aspekte der Interaktionsforschung sowie der Problematik von beiderseitiger Adaptivität abgeschlossen

Coordinated multi-robot formation control

Tese de doutoramento. Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 201