Global Localization based on Evolutionary Optimization Algorithms for Indoor and Underground Environments

Mención Internacional en el título de doctorA fully autonomous robot is defined by its capability to sense, understand and move within the environment to perform a specific task. These qualities are included within the concept of navigation. However, among them, a basic transcendent one is localization, the capacity of the system to know its position regarding its surroundings. Therefore, the localization issue could be defined as searching the robot’s coordinates and rotation angles within a known environment. In this thesis, the particular case of Global Localization is addressed, when no information about the initial position is known, and the robot relies only on its sensors. This work aims to develop several tools that allow the system to locate in the two most usual geometric map representations: occupancy maps and Point Clouds. The former divides the dimensional space into equally-sized cells coded with a binary value distinguishing between free and occupied space. Point Clouds define obstacles and environment features as a sparse set of points in the space, commonly measured through a laser sensor. In this work, various algorithms are presented to search for that position through laser measurements only, in contrast with more usual methods that combine external information with motion information of the robot, odometry. Therefore, the system is capable of finding its own position in indoor environments, with no necessity of external positioning and without the influence of the uncertainty that motion sensors typically induce. Our solution is addressed by implementing various stochastic optimization algorithms or Meta-heuristics, specifically those bio-inspired or commonly known as Evolutionary Algorithms. Inspired by natural phenomena, these algorithms are based on the evolution of a series of particles or population members towards a solution through the optimization of a cost or fitness function that defines the problem. The implemented algorithms are Differential Evolution, Particle Swarm Optimization, and Invasive Weed Optimization, which try to mimic the behavior of evolution through mutation, the movement of swarms or flocks of animals, and the colonizing behavior of invasive species of plants respectively. The different implementations address the necessity to parameterize these algorithms for a wide search space as a complete three-dimensional map, with exploratory behavior and the convergence conditions that terminate the search. The process is a recursive optimum estimation search, so the solution is unknown. These implementations address the optimum localization search procedure by comparing the laser measurements from the real position with the one obtained from each candidate particle in the known map. The cost function evaluates this similarity between real and estimated measurements and, therefore, is the function that defines the problem to optimize. The common approach in localization or mapping using laser sensors is to establish the mean square error or the absolute error between laser measurements as an optimization function. In this work, a different perspective is introduced by benefiting from statistical distance or divergences, utilized to describe the similarity between probability distributions. By modeling the laser sensor as a probability distribution over the measured distance, the algorithm can benefit from the asymmetries provided by these divergences to favor or penalize different situations. Hence, how the laser scans differ and not only how much can be evaluated. The results obtained in different maps, simulated and real, prove that the Global Localization issue is successfully solved through these methods, both in position and orientation. The implementation of divergence-based weighted cost functions provides great robustness and accuracy to the localization filters and optimal response before different sources and noise levels from sensor measurements, the environment, or the presence of obstacles that are not registered in the map.Lo que define a un robot completamente autónomo es su capacidad para percibir el entorno, comprenderlo y poder desplazarse en ´el para realizar las tareas encomendadas. Estas cualidades se engloban dentro del concepto de la navegación, pero entre todas ellas la más básica y de la que dependen en buena parte el resto es la localización, la capacidad del sistema de conocer su posición respecto al entorno que lo rodea. De esta forma el problema de la localización se podría definir como la búsqueda de las coordenadas de posición y los ángulos de orientación de un robot móvil dentro de un entorno conocido. En esta tesis se aborda el caso particular de la localización global, cuando no existe información inicial alguna y el sistema depende únicamente de sus sensores. El objetivo de este trabajo es el desarrollo de varias herramientas que permitan que el sistema encuentre la localización en la que se encuentra respecto a los dos tipos de mapa más comúnmente utilizados para representar el entorno: los mapas de ocupación y las nubes de puntos. Los primeros subdividen el espacio en celdas de igual tamaño cuyo valor se define de forma binaria entre espacio libre y ocupado. Las nubes de puntos definen los obstáculos como una serie dispersa de puntos en el espacio comúnmente medidos a través de un láser. En este trabajo se presentan varios algoritmos para la búsqueda de esa posición utilizando únicamente las medidas de este sensor láser, en contraste con los métodos más habituales que combinan información externa con información propia del movimiento del robot, la odometría. De esta forma el sistema es capaz de encontrar su posición en entornos interiores sin depender de posicionamiento externo y sin verse influenciado por la deriva típica que inducen los sensores de movimiento. La solución se afronta mediante la implementación de varios tipos de algoritmos estocásticos de optimización o Meta-heurísticas, en concreto entre los denominados bio-inspirados o comúnmente conocidos como Algoritmos Evolutivos. Estos algoritmos, inspirados en varios fenómenos de la naturaleza, se basan en la evolución de una serie de partículas o población hacia una solución en base a la optimización de una función de coste que define el problema. Los algoritmos implementados en este trabajo son Differential Evolution, Particle Swarm Optimization e Invasive Weed Optimization, que tratan de imitar el comportamiento de la evolución por mutación, el movimiento de enjambres o bandas de animales y la colonización por parte de especies invasivas de plantas respectivamente. Las distintas implementaciones abordan la necesidad de parametrizar estos algoritmos para un espacio de búsqueda muy amplio como es un mapa completo, con la necesidad de que su comportamiento sea muy exploratorio, así como las condiciones de convergencia que definen el fin de la búsqueda ya que al ser un proceso recursivo de estimación la solución no es conocida. Estos algoritmos plantean la forma de buscar la localización ´optima del robot mediante la comparación de las medidas del láser en la posición real con lo esperado en la posición de cada una de esas partículas teniendo en cuenta el mapa conocido. La función de coste evalúa esa semejanza entre las medidas reales y estimadas y por tanto, es la función que define el problema. Las funciones típicamente utilizadas tanto en mapeado como localización mediante el uso de sensores láser de distancia son el error cuadrático medio o el error absoluto entre distancia estimada y real. En este trabajo se presenta una perspectiva diferente, aprovechando las distancias estadísticas o divergencias, utilizadas para establecer la semejanza entre distribuciones probabilísticas. Modelando el sensor como una distribución de probabilidad entorno a la medida aportada por el láser, se puede aprovechar la asimetría de esas divergencias para favorecer o penalizar distintas situaciones. De esta forma se evalúa como difieren las medias y no solo cuanto. Los resultados obtenidos en distintos mapas tanto simulados como reales demuestran que el problema de la localización se resuelve con éxito mediante estos métodos tanto respecto al error de estimación de la posición como de la orientación del robot. El uso de las divergencias y su implementación en una función de coste ponderada proporciona gran robustez y precisión al filtro de localización y gran respuesta ante diferentes fuentes y niveles de ruido, tanto de la propia medida del sensor, del ambiente y de obstáculos no modelados en el mapa del entorno.Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de MadridPresidente: Fabio Bonsignorio.- Secretario: María Dolores Blanco Rojas.- Vocal: Alberto Brunete Gonzále

Simulated annealing based symbiotic organisms search optimization algorithm for traveling salesman problem

Symbiotic Organisms Search (SOS) algorithm is an effective new metaheuristic search algorithm, which has recently recorded wider application in solving complex optimization problems. SOS mimics the symbiotic relationship strategies adopted by organisms in the ecosystem for survival. This paper, presents a study on the application of SOS with Simulated Annealing (SA) to solve the well-known traveling salesman problems (TSPs). The TSP is known to be NP-hard, which consist of a set of (n − 1)!/2 feasible solutions. The intent of the proposed hybrid method is to evaluate the convergence behaviour and scalability of the symbiotic organism’s search with simulated annealing to solve both small and large-scale travelling salesman problems. The implementation of the SA based SOS (SOS-SA) algorithm was done in the MATLAB environment. To inspect the performance of the proposed hybrid optimization method, experiments on the solution convergence, average execution time, and percentage deviations of both the best and average solutions to the best known solution were conducted. Similarly, in order to obtain unbiased and comprehensive comparisons, descriptive statistics such as mean, standard deviation, minimum, maximum and range were used to describe each of the algorithms, in the analysis section. The oneway ANOVA and Kruskal-Wallis test were further used to compare the significant difference in performance between SOS-SA and the other selected state-of-the-art algorithms. The performances of SOS-SA and SOS are evaluated on different sets of TSP benchmarks obtained from TSPLIB (a library containing samples of TSP instances). The empirical analysis’ results show that the quality of the final results as well as the convergence rate of the new algorithm in some cases produced even more superior solutions than the best known TSP benchmarked results

Analysis and Development of Computational Intelligence based Navigational Controllers for Multiple Mobile Robots

Navigational path planning problems of the mobile robots have received considerable attention over the past few decades. The navigation problem of mobile robots are consisting of following three aspects i.e. locomotion, path planning and map building. Based on these three aspects path planning algorithm for a mobile robot is formulated, which is capable of finding an optimal collision free path from the start point to the target point in a given environment. The main objective of the dissertation is to investigate the advanced methodologies for both single and multiple mobile robots navigation in highly cluttered environments using computational intelligence approach. Firstly, three different standalone computational intelligence approaches based on the Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System (ANFIS), Cuckoo Search (CS) algorithm and Invasive Weed Optimization (IWO) are presented to address the problem of path planning in unknown environments. Next two different hybrid approaches are developed using CS-ANFIS and IWO-ANFIS to solve the mobile robot navigation problems. The performance of each intelligent navigational controller is demonstrated through simulation results using MATLAB. Experimental results are conducted in the laboratory, using real mobile robots to validate the versatility and effectiveness of the proposed navigation techniques. Comparison studies show, that there are good agreement between them. During the analysis of results, it is noticed that CS-ANFIS and IWO-ANFIS hybrid navigational controllers perform better compared to other discussed navigational controllers. The results obtained from the proposed navigation techniques are validated by comparison with the results from other intelligent techniques such as Fuzzy logic, Neural Network, Genetic Algorithm (GA), Particle Swarm Optimization (PSO), Ant Colony Optimization (ACO) and other hybrid algorithms. By investigating the results, finally it is concluded that the proposed navigational methodologies are efficient and robust in the sense, that they can be effectively implemented to solve the path optimization problems of mobile robot in any complex environment

Advanced meta-heuristic approaches and their application to operational optimization in forest wildfire management

La última década ha sido testigo de un aumento vertiginoso de la cantidad y frecuencia de desastres a gran escala, principalmente debido a los fenómenos devastadores derivados de paradigmas climatológicos y ambientales a gran escala como el calentamiento global. De entre ellos son las inundaciones, huracanes y terremotos los desastres de mayor frecuencia de aparición y fatales consecuencias durante este período, tal como certifican los más de 20.000 muertos a consecuencia de un terremoto en la región de Gujarat (India) en 2001, o las 230.000 y 316.000 pérdidas humanas de los terremotos de Indonesia y Haití en 2004 y 2010, respectivamente. En este contexto, el enfoque de esta tesis se centra en una casuística concreta de desastre a media-gran escala cuya frecuencia y severidad han crecido de manera igualmente preocupante en los últimos tiempos: los incendios, definidos como un fuego de grandes dimensiones no voluntariamente iniciado por el ser humano, y que afecta a aquello que no está destinado a quemarse. Pese a la diversidad de iniciativas, campañas y procedimientos orientados a la minimización del impacto y las consecuencias de los incendios, varios sucesos fatales acontecidos en los últimos años han puesto en duda la efectividad de las políticas actuales de gestión de recursos contra incendios como aeronaves, vehículos terrestres, equipamiento de comunicaciones radio, logística de abastecimiento y las brigadas desplegadas en el área afectada. Un ejemplo manifiesto de esta falta de eficacia es la muerte de once bomberos ocurrida en un incendio de 130 kilómetros cuadrados en la zona de Guadalajara (España) en 2005, oficialmente atribuida a una deficiente coordinación entre el puesto de mando y los equipos de extinción debida, fundamentalmente, a problemas de cobertura en los sistemas de radiocomunicación. Aunque la causa de esta falta de coordinación ha sido cuestionada por las autoridades y los agentes involucrados desde entonces, lo cierto es que este suceso supone un ejemplo evidente de la necesidad de estudiar y desarrollar herramientas algorítmicas que ayuden al personal de comandancia a ejecutar óptimamente sus tareas de coordinación y control. Desafortunadamente la coyuntura de crisis económica mundial que azota con especial fuerza los países del Sur de Europa ha mermado dramáticamente las partidas presupuestarias para la prevención y extinción de incendios en beneficio de programas nacionales de reducción de déficit. A consecuencia de estos recortes, el coste ha irrumpido con fuerza como un criterio de extrema relevancia en la planificación operativa de este tipo de desastres: desde la perspectiva de un problema de optimización, los recursos contra incendios son actualmente gestionados con el objetivo fundamental de maximizar su efectividad contra incendios, sujeto a la restricción de que el coste agregado asociado a las decisiones tomadas no supere un determinado umbral presupuestario. Pese a que estas restricciones de coste están bien acotadas, en la práctica la mayoría de los procedimientos de gestión de recursos contra incendios están fuertemente determinados por la capacidad limitada del ser humano para tomar decisiones ágiles en escenarios de elevada complejidad y heterogeneidad. Por los motivos anteriormente expuestos, la presente Tesis doctoral propone la adopción de algoritmos meta-heurísticos para solventar eficientemente problemas de optimización que modelan procesos de gestión de recursos contra incendios. Esta familia de algoritmos de optimización es capaz de explorar el espacio solución de un problema dado merced a la aplicación iterativa de mecanismos inteligentes de búsqueda explorativa y explotativa, produciendo soluciones que sacrifican calidad por una complejidad computacional menor en comparación con la resultante de procesos determinísticos de búsqueda exhaustiva. En particular la Tesis plantea la búsqueda por harmonía (del inglés Harmony Search) como la técnica meta-heurística de optimización común a las herramientas diseñadas para la gestión de recursos en dos escenarios diferentes: ? El primer escenario analizado contempla el despliegue óptimo de redes de comunicación inalámbrica para la coordinación de equipos de extinción en incendios forestales de gran escala. Desde el punto de vista formal, el problema del despliegue dinámico de retransmisores que caracteriza matemáticamente este escenario consiste en estimar el número y localización de los retransmisores radio que deben ser desplegados en el área afectada por el incendio, de tal modo que el número de nodos móviles (i.e. recursos) con cobertura radio es maximizado a un coste del despliegue mínimo. A fin de reflejar la diversidad de equipamiento de retransmisión radio existente en la realidad, este problema es reformulado para considerar modelos de retransmisor con diferentes características de cobertura y coste. El problema resultante es resuelto de manera eficiente mediante sendos algoritmos mono- y bi-objetivo que conjugan 1) la Búsqueda por Harmonía como método de búsqueda global; y 2) una versión modificada del algoritmo de agrupación K-means como técnica de búsqueda local. El desempeño de los métodos propuestos es evaluado mediante experimentos numéricos basados en datos estadísticos reales de la Comunidad de Castilla la Mancha (España), merced a cuyos resultados queda certificada su practicidad a la hora de desplegar infraestructura de comunicación en este tipo de desastres. ? El segundo escenario bajo estudio se concentra en el despliegue y planificación óptima de vehículos aéreos de extinción de incendios basados en estimaciones predictivas del riesgo de incendio de una cierta área geográfica. De manera enunciativa, el problema subyacente busca la asignación de recursos a aeródromos y aeropuertos con restricciones de capacidad que maximice la utilidad de dichos recursos en relación al riesgo de incendio y minimice, a su vez, el coste de ejecutar dicha asignación. La formulación de este problema también considera, dentro de la definición de dicha función de utilidad, la distancia relativa entre aeropuerto, punto de potencial riesgo de incendio y el recurso acuífero (lago, río o mar) más cercano. Para su resolución eficiente se propone el uso de algoritmos de optimización basados, de nuevo, en la Búsqueda por Harmonía, incorporando además métodos voraces de reparación capacitiva. La aplicabilidad práctica de estos métodos es validada mediante experimentos numéricos en escenarios sintéticos y un caso práctico que incluye valores reales del riesgo de incendio, posiciones de recursos acuíferos e instalaciones aeroportuarias. En resumen, esta Tesis evidencia, desde un punto de vista práctico, que la meta-heurística moderna supone una solución algorítmica computacionalmente eficiente para tratar problemas de gestión de recursos contra incendios sujetos a restricciones de coste

Modelling and Management of Irrigation System

Irrigation is becoming an activity of precision, where combining information collected from various sources is necessary to optimally manage resources. New management strategies, such as big data techniques, sensors, artificial intelligence, unmanned aerial vehicles (UAV), and new technologies in general, are becoming more relevant every day. As such, modeling techniques, both at the water distribution network and the farm levels, will be essential to gather information from various sources and offer useful recommendations for decision-making processes. In this book, 10 high quality papers were selected that cover a wide range of issues that are relevant to the different aspects related to irrigation management: water source and distribution network, plot irrigation systems, and crop water management

Artificial Neural Networks in Agriculture

Modern agriculture needs to have high production efficiency combined with a high quality of obtained products. This applies to both crop and livestock production. To meet these requirements, advanced methods of data analysis are more and more frequently used, including those derived from artificial intelligence methods. Artificial neural networks (ANNs) are one of the most popular tools of this kind. They are widely used in solving various classification and prediction tasks, for some time also in the broadly defined field of agriculture. They can form part of precision farming and decision support systems. Artificial neural networks can replace the classical methods of modelling many issues, and are one of the main alternatives to classical mathematical models. The spectrum of applications of artificial neural networks is very wide. For a long time now, researchers from all over the world have been using these tools to support agricultural production, making it more efficient and providing the highest-quality products possible

Advanced meta-heuristic approaches and their application to operational optimization in forest wildfire management

La última década ha sido testigo de un aumento vertiginoso de la cantidad y frecuencia de desastres a gran escala, principalmente debido a los fenómenos devastadores derivados de paradigmas climatológicos y ambientales a gran escala como el calentamiento global. De entre ellos son las inundaciones, huracanes y terremotos los desastres de mayor frecuencia de aparición y fatales consecuencias durante este período, tal como certifican los más de 20.000 muertos a consecuencia de un terremoto en la región de Gujarat (India) en 2001, o las 230.000 y 316.000 pérdidas humanas de los terremotos de Indonesia y Haití en 2004 y 2010, respectivamente. En este contexto, el enfoque de esta tesis se centra en una casuística concreta de desastre a media-gran escala cuya frecuencia y severidad han crecido de manera igualmente preocupante en los últimos tiempos: los incendios, definidos como un fuego de grandes dimensiones no voluntariamente iniciado por el ser humano, y que afecta a aquello que no está destinado a quemarse. Pese a la diversidad de iniciativas, campañas y procedimientos orientados a la minimización del impacto y las consecuencias de los incendios, varios sucesos fatales acontecidos en los últimos años han puesto en duda la efectividad de las políticas actuales de gestión de recursos contra incendios como aeronaves, vehículos terrestres, equipamiento de comunicaciones radio, logística de abastecimiento y las brigadas desplegadas en el área afectada. Un ejemplo manifiesto de esta falta de eficacia es la muerte de once bomberos ocurrida en un incendio de 130 kilómetros cuadrados en la zona de Guadalajara (España) en 2005, oficialmente atribuida a una deficiente coordinación entre el puesto de mando y los equipos de extinción debida, fundamentalmente, a problemas de cobertura en los sistemas de radiocomunicación. Aunque la causa de esta falta de coordinación ha sido cuestionada por las autoridades y los agentes involucrados desde entonces, lo cierto es que este suceso supone un ejemplo evidente de la necesidad de estudiar y desarrollar herramientas algorítmicas que ayuden al personal de comandancia a ejecutar óptimamente sus tareas de coordinación y control. Desafortunadamente la coyuntura de crisis económica mundial que azota con especial fuerza los países del Sur de Europa ha mermado dramáticamente las partidas presupuestarias para la prevención y extinción de incendios en beneficio de programas nacionales de reducción de déficit. A consecuencia de estos recortes, el coste ha irrumpido con fuerza como un criterio de extrema relevancia en la planificación operativa de este tipo de desastres: desde la perspectiva de un problema de optimización, los recursos contra incendios son actualmente gestionados con el objetivo fundamental de maximizar su efectividad contra incendios, sujeto a la restricción de que el coste agregado asociado a las decisiones tomadas no supere un determinado umbral presupuestario. Pese a que estas restricciones de coste están bien acotadas, en la práctica la mayoría de los procedimientos de gestión de recursos contra incendios están fuertemente determinados por la capacidad limitada del ser humano para tomar decisiones ágiles en escenarios de elevada complejidad y heterogeneidad. Por los motivos anteriormente expuestos, la presente Tesis doctoral propone la adopción de algoritmos meta-heurísticos para solventar eficientemente problemas de optimización que modelan procesos de gestión de recursos contra incendios. Esta familia de algoritmos de optimización es capaz de explorar el espacio solución de un problema dado merced a la aplicación iterativa de mecanismos inteligentes de búsqueda explorativa y explotativa, produciendo soluciones que sacrifican calidad por una complejidad computacional menor en comparación con la resultante de procesos determinísticos de búsqueda exhaustiva. En particular la Tesis plantea la búsqueda por harmonía (del inglés Harmony Search) como la técnica meta-heurística de optimización común a las herramientas diseñadas para la gestión de recursos en dos escenarios diferentes: ? El primer escenario analizado contempla el despliegue óptimo de redes de comunicación inalámbrica para la coordinación de equipos de extinción en incendios forestales de gran escala. Desde el punto de vista formal, el problema del despliegue dinámico de retransmisores que caracteriza matemáticamente este escenario consiste en estimar el número y localización de los retransmisores radio que deben ser desplegados en el área afectada por el incendio, de tal modo que el número de nodos móviles (i.e. recursos) con cobertura radio es maximizado a un coste del despliegue mínimo. A fin de reflejar la diversidad de equipamiento de retransmisión radio existente en la realidad, este problema es reformulado para considerar modelos de retransmisor con diferentes características de cobertura y coste. El problema resultante es resuelto de manera eficiente mediante sendos algoritmos mono- y bi-objetivo que conjugan 1) la Búsqueda por Harmonía como método de búsqueda global; y 2) una versión modificada del algoritmo de agrupación K-means como técnica de búsqueda local. El desempeño de los métodos propuestos es evaluado mediante experimentos numéricos basados en datos estadísticos reales de la Comunidad de Castilla la Mancha (España), merced a cuyos resultados queda certificada su practicidad a la hora de desplegar infraestructura de comunicación en este tipo de desastres. ? El segundo escenario bajo estudio se concentra en el despliegue y planificación óptima de vehículos aéreos de extinción de incendios basados en estimaciones predictivas del riesgo de incendio de una cierta área geográfica. De manera enunciativa, el problema subyacente busca la asignación de recursos a aeródromos y aeropuertos con restricciones de capacidad que maximice la utilidad de dichos recursos en relación al riesgo de incendio y minimice, a su vez, el coste de ejecutar dicha asignación. La formulación de este problema también considera, dentro de la definición de dicha función de utilidad, la distancia relativa entre aeropuerto, punto de potencial riesgo de incendio y el recurso acuífero (lago, río o mar) más cercano. Para su resolución eficiente se propone el uso de algoritmos de optimización basados, de nuevo, en la Búsqueda por Harmonía, incorporando además métodos voraces de reparación capacitiva. La aplicabilidad práctica de estos métodos es validada mediante experimentos numéricos en escenarios sintéticos y un caso práctico que incluye valores reales del riesgo de incendio, posiciones de recursos acuíferos e instalaciones aeroportuarias. En resumen, esta Tesis evidencia, desde un punto de vista práctico, que la meta-heurística moderna supone una solución algorítmica computacionalmente eficiente para tratar problemas de gestión de recursos contra incendios sujetos a restricciones de coste