On realistic target coverage by autonomous drones

Low-cost mini-drones with advanced sensing and maneuverability enable a new class of intelligent sensing systems. To achieve the full potential of such drones, it is necessary to develop new enhanced formulations of both common and emerging sensing scenarios. Namely, several fundamental challenges in visual sensing are yet to be solved including (1) fitting sizable targets in camera frames; (2) positioning cameras at effective viewpoints matching target poses; and (3) accounting for occlusion by elements in the environment, including other targets. In this article, we introduce Argus, an autonomous system that utilizes drones to collect target information incrementally through a two-tier architecture. To tackle the stated challenges, Argus employs a novel geometric model that captures both target shapes and coverage constraints. Recognizing drones as the scarcest resource, Argus aims to minimize the number of drones required to cover a set of targets. We prove this problem is NP-hard, and even hard to approximate, before deriving a best-possible approximation algorithm along with a competitive sampling heuristic which runs up to 100× faster according to large-scale simulations. To test Argus in action, we demonstrate and analyze its performance on a prototype implementation. Finally, we present a number of extensions to accommodate more application requirements and highlight some open problems

Optimal Path Planning and Coverage Control for Multi-Robot Persistent Coverage in Environments with Obstacles

Persistent coverage aims to maintain a certain coverage level over time in an environment where such level deteriorates. This level can be associated to temperature, dust or sensor information. We propose an algorithmic solution in which each robot locally finds the best paths and coverage actions to keep the desired coverage level over the whole environment. Using Fast Marching Methods, optimal paths are computed in terms of coverage quality, while keeping a safety distance to obstacles. Additionally, our solution enables a computationally efficient evaluation of a list of potential trajectories, allowing us to choose the goal that improves the most the coverage along the whole path. The combination of this algorithm with a Dynamic Window navigation makes our approach more flexible and robust to changing environments than existing solutions. Finally, we also propose a coverage action controller, locally computed and optimal, that makes the robots maintain the coverage level of the environment significantly close to the objective. Simulations and real experiments validate the whole approach and prove a significant improvement with respect to previous works

Sistema multi-robot para cobertura persistente

Actualmente el desarrollo constante de la robótica está provocando que se puedan encontrar robots realizando tareas cada vez más complejas, y que poco a poco se alejen del conocido ámbito de la robótica industrial. En especial la robótica móvil está adquiriendo un gran interés debido a los robots y vehículos autónomos que han sido desarrollados en los últimos años. Es esta búsqueda por solventar problemas más complejos y el auge de la movilidad en los robots lo que está aumentado el interés científico y de la industria en los sistemas multi-robot. En estos sistemas las tareas pueden ser repartidas entre un equipo de robots que cuentan o no con las mismas capacidades. La forma en la que las tareas son repartidas de forma óptima, cómo se comparte la información entre los robots o de qué forma se planifican los objetivos, forma parte del estudio de este campo. Es especialmente de interés para este trabajo las tareas de cobertura y en particular las de cobertura persistente. Se hará un estudio profundo del estado de la materia y de uno de los métodos desarrollados recientemente en la literatura relacionada. En el siguiente trabajo se desarrollará un sistema multi-robot de bajo coste y fácil implementación con el que se pretende que se pueda experimentar usando algoritmos multi-robot en un ambiente controlado y escalable. Para el desarrollo de este sistema se cubrirán las necesidades básicas de todo sistema similar como son la localización, la comunicación y el control. A lo largo de esta memoria se expondrán cuales han sido las dificultades encontradas y finalmente las soluciones que se han desarrollado para cumplir con el objetivo propuesto. Además, se realizará la experimentación del método elegido mediante simulaciones que precederán a la experimentación final sobre el sistema multi-robot y se analizarán los resultados experimentados para poder valorar el éxito de la implementación

Algorithms for Robot Coverage Under Movement and Sensing Constraints

This thesis explores the problem of generating coverage paths—that is, paths that pass within some sensor footprint of every point in an environment—for mobile robots. It both considers models for which navigation is a solved problem but motions are constrained, as well for models in which navigation must be considered along with coverage planning because of the robot’s unreliable sensing and movements. The motion constraint we adopt for the former is a common constraint, that of a Dubins vehicle. We extend previous work that solves this coverage problem as a traveling salesman problem (TSP) by introducing a practical heuristic algorithm to reduce runtime while maintaining near-optimal path length. Furthermore, we show that generating an optimal coverage path is NP-hard by reducing from the Exact Cover problem, which provides justification for our algorithm’s conversion of Dubins coverage instances to TSP instances. Extensive experiments demonstrate that the algorithm does indeed produce path lengths comparable to optimal in significantly less time. In the second model, we consider the problem of coverage planning for a particular type of very simple mobile robot. The robot must be able to translate in a commanded direction (specified in a global reference frame), with bounded error on the motion direction, until reaching the environment boundary. The objective, for a given environment map, is to generate a sequence of motions that is guaranteed to cover as large a portion of that environment as possible, in spite of the severe limits on the robot’s sensing and actuation abilities. We show how to model the knowledge available to this kind of robot about its own position within the environment, show how to compute the region whose coverage can be guaranteed for a given plan, and characterize regions whose coverage cannot be guaranteed by any plan. We also describe an algorithm that generates coverage plans for this robot, based on a search across a specially-constructed graph. Simulation results demonstrate the effectiveness of the approach

Multi-robot deployment planning in communication-constrained environments

A lo largo de los últimos años se ha podido observar el aumento del uso de equipos de robots en tareas en las cuales es imposible o poco eficiente la intervención de los humanos, e incluso que implica un cierto grado de riesgo para una persona. Por ejemplo, monitorización de entornos de difícil acceso, como podrían ser túneles, minas, etc. Éste es el tema en el que se ha enfocado el trabajo realizado durante esta tesis: la planificación del despliegue de un equipo de agentes para la monitorización de entornos.La misión de los agentes es alcanzar unas localizaciones de interés y transmitirle la información observada a una estación base estática. Ante la ausencia de una infraestructura de comunicaciones, una transmisión directa a la base es imposible. Por tanto, los agentes se deben coordinar de manera autónoma, de modo que algunos de ellos alcancen los objetivos y otros realicen la función de repetidor para retransmitir la información.Nos hemos centrado en dos líneas de investigación principales, relacionadas con dos maneras del envío de la información a la estación base. En el primer enfoque, los agentes deben mantener un enlace de comunicación con la base en el momento de alcanzar los objetivos. Con el fin de, por ejemplo, poder interactuar desde la base con un robot que ha alcanzado el objetivo. Para ello hemos desarrollado un método que obtiene las posiciones óptimas para los agentes utilizados a modo de repetidor. A continuación, hemos implementado un método de planificación de caminos de modo que los agentes pudiesen navegar el máximo tiempo posible dentro de zonas con señal. Empleando conjuntamente ambos métodos, los agentes extienden el área de cobertura de la estación base, estableciendo un enlace de comunicación desde la misma hasta los objetivos marcados.Utilizando este método, el equipo es capaz de lidiar con variaciones del entorno si la comunicación entre los agentes no se pierde. Sin embargo, los eventos tan comunes e irrelevantes para los seres humanos, como el simple cierre de una puerta, pueden llegar a ser críticos para el equipo de robots. Ya que esto podría interrumpir la comunicación entre el equipo. Por ello, hemos propuesto un método distribuido para que el equipo sea capaz de reconectarse, formando una cadena hacia un objetivo, en escenarios donde haya variaciones con respecto al mapa inicial que poseían los robots.La segunda parte de la presente tesis se ha centrado en misiones de recopilación de datos de un entorno. Aquí la comunicación con la estación base, en el instante de alcanzar un objetivo, no es necesaria y a menudo imposible. Por tanto, en este tipo de escenarios, es más eficiente que algunos agentes, llamados trabajadores, recopilen datos del entorno, y otros, denominados colectores, reúnan la información de los que trabajan para periódicamente retransmitirla a la base. De este modo tan solo los colectores realizan largos viajes a la estación base, mientras que los trabajadores emplean la mayor parte de su tiempo exclusivamente a la recopilación de datos.Primero, hemos desarrollado dos métodos para la planificación de caminos para la sincronización entre los trabajadores y colectores. El primero, muestrea el espacio de manera aleatoria, para obtener una solución lo más rápido posible. El segundo, usando FMM, es más lento, pero obtiene soluciones óptimas.Finalmente, hemos propuesto una técnica global para la misión de recopilación de datos. Este método consiste en: encontrar el mejor balance entre la cantidad de trabajadores y colectores, la mejor división del escenario en áreas de trabajo para los trabajadores, la asociación de los trabajadores para transmitir los datos recopilados a los colectores o directamente a la estación base, así como los caminos de los colectores. El método propuesto trata de encontrar la mejor solución con el fin de entregar la mayor cantidad de datos y que el tiempo de "refresco" de los mismos sea el menor posible.<br /

Multi-Robot Persistent Coverage in Complex Environments

Los recientes avances en robótica móvil y un creciente desarrollo de robots móviles asequibles han impulsado numerosas investigaciones en sistemas multi-robot. La complejidad de estos sistemas reside en el diseño de estrategias de comunicación, coordinación y controlpara llevar a cabo tareas complejas que un único robot no puede realizar. Una tarea particularmente interesante es la cobertura persistente, que pretende mantener cubierto en el tiempo un entorno con un equipo de robots moviles. Este problema tiene muchas aplicaciones como aspiración o limpieza de lugares en los que la suciedad se acumula constantemente, corte de césped o monitorización ambiental. Además, la aparición de vehículos aéreos no tripulados amplía estas aplicaciones con otras como la vigilancia o el rescate.Esta tesis se centra en el problema de cubrir persistentemente entornos progresivamente mas complejos. En primer lugar, proponemos una solución óptima para un entorno convexo con un sistema centralizado, utilizando programación dinámica en un horizonte temporalnito. Posteriormente nos centramos en soluciones distribuidas, que son más robustas, escalables y eficientes. Para solventar la falta de información global, presentamos un algoritmo de estimación distribuido con comunicaciones reducidas. Éste permite a los robots teneruna estimación precisa de la cobertura incluso cuando no intercambian información con todos los miembros del equipo. Usando esta estimación, proponemos dos soluciones diferentes basadas en objetivos de cobertura, que son los puntos del entorno en los que más se puedemejorar dicha cobertura. El primer método es un controlador del movimiento que combina un término de gradiente con un término que dirige a los robots hacia sus objetivos. Este método funciona bien en entornos convexos. Para entornos con algunos obstáculos, el segundométodo planifica trayectorias abiertas hasta los objetivos, que son óptimas en términos de cobertura. Finalmente, para entornos complejos no convexos, presentamos un algoritmo capaz de encontrar particiones equitativas para los robots. En dichas regiones, cada robotplanifica trayectorias de longitud finita a través de un grafo de caminos de tipo barrido.La parte final de la tesis se centra en entornos discretos, en los que únicamente un conjunto finito de puntos debe que ser cubierto. Proponemos una estrategia que reduce la complejidad del problema separándolo en tres subproblemas: planificación de trayectoriascerradas, cálculo de tiempos y acciones de cobertura y generación de un plan de equipo sin colisiones. Estos subproblemas más pequeños se resuelven de manera óptima. Esta solución se utiliza en último lugar para una novedosa aplicación como es el calentamiento por inducción doméstico con inductores móviles. En concreto, la adaptamos a las particularidades de una cocina de inducción y mostramos su buen funcionamiento en un prototipo real.Recent advances in mobile robotics and an increasing development of aordable autonomous mobile robots have motivated an extensive research in multi-robot systems. The complexity of these systems resides in the design of communication, coordination and control strategies to perform complex tasks that a single robot can not. A particularly interesting task is that of persistent coverage, that aims to maintain covered over time a given environment with a team of robotic agents. This problem is of interest in many applications such as vacuuming, cleaning a place where dust is continuously settling, lawn mowing or environmental monitoring. More recently, the apparition of useful unmanned aerial vehicles (UAVs) has encouraged the application of the coverage problem to surveillance and monitoring. This thesis focuses on the problem of persistently covering a continuous environment in increasingly more dicult settings. At rst, we propose a receding-horizon optimal solution for a centralized system in a convex environment using dynamic programming. Then we look for distributed solutions, which are more robust, scalable and ecient. To deal with the lack of global information, we present a communication-eective distributed estimation algorithm that allows the robots to have an accurate estimate of the coverage of the environment even when they can not exchange information with all the members of the team. Using this estimation, we propose two dierent solutions based on coverage goals, which are the points of the environment in which the coverage can be improved the most. The rst method is a motion controller, that combines a gradient term with a term that drives the robots to the goals, and which performs well in convex environments. For environments with some obstacles, the second method plans open paths to the goals that are optimal in terms of coverage. Finally, for complex, non-convex environments we propose a distributed algorithm to nd equitable partitions for the robots, i.e., with an amount of work proportional to their capabilities. To cover this region, each robot plans optimal, nite-horizon paths through a graph of sweep-like paths. The nal part of the thesis is devoted to discrete environment, in which only a nite set of points has to be covered. We propose a divide-and-conquer strategy to separate the problem to reduce its complexity into three smaller subproblem, which can be optimally solved. We rst plan closed paths through the points, then calculate the optimal coverage times and actions to periodically satisfy the coverage required by the points, and nally join together the individual plans of the robots into a collision-free team plan that minimizes simultaneous motions. This solution is eventually used for a novel application that is domestic induction heating with mobile inductors. We adapt it to the particular setting of a domestic hob and demonstrate that it performs really well in a real prototype.<br /