Robust degradation and enhancement of robot mission behaviour in unpredictable environments

© 2015 ACM.Temporal logic based approaches that automatically generate controllers have been shown to be useful for mission level planning of motion, surveillance and navigation, among others. These approaches critically rely on the validity of the environment models used for synthesis. Yet simplifying assumptions are inevitable to reduce complexity and provide mission-level guarantees; no plan can guarantee results in a model of a world in which everything can go wrong. In this paper, we show how our approach, which reduces reliance on a single model by introducing a stack of models, can endow systems with incremental guarantees based on increasingly strengthened assumptions, supporting graceful degradation when the environment does not behave as expected, and progressive enhancement when it does

Visibility in underwater robotics: Benchmarking and single image dehazing

Dealing with underwater visibility is one of the most important challenges in autonomous underwater robotics. The light transmission in the water medium degrades images making the interpretation of the scene difficult and consequently compromising the whole intervention. This thesis contributes by analysing the impact of the underwater image degradation in commonly used vision algorithms through benchmarking. An online framework for underwater research that makes possible to analyse results under different conditions is presented. Finally, motivated by the results of experimentation with the developed framework, a deep learning solution is proposed capable of dehazing a degraded image in real time restoring the original colors of the image.Una de las dificultades más grandes de la robótica autónoma submarina es lidiar con la falta de visibilidad en imágenes submarinas. La transmisión de la luz en el agua degrada las imágenes dificultando el reconocimiento de objetos y en consecuencia la intervención. Ésta tesis se centra en el análisis del impacto de la degradación de las imágenes submarinas en algoritmos de visión a través de benchmarking, desarrollando un entorno de trabajo en la nube que permite analizar los resultados bajo diferentes condiciones. Teniendo en cuenta los resultados obtenidos con este entorno, se proponen métodos basados en técnicas de aprendizaje profundo para mitigar el impacto de la degradación de las imágenes en tiempo real introduciendo un paso previo que permita recuperar los colores originales

MISSION-ORIENTED HETEROGENEOUS ROBOT COOPERATION BASED ON SMART RESOURCES EXECUTION

Home environments are changing as more technological devices are used to improve daily life. The growing demand for high technology in our homes means that robot integration will soon arrive. Home devices are evolving in a connected paradigm in which data flows to perform efficient home task management. Heterogeneous home robots connected in a network can establish a workflow that complements their capabilities and so increases performance within a mission execution. This work addresses the definition and requirements of a robot-group mission in the home context. The proposed solution relies on a network of smart resources, which are defined as cyber-physical systems that provide high-level service execution. Firstly, control middleware architecture is introduced as the execution base for the Smart resources. Next, the Smart resource topology and its integration within a robotic platform are addressed. Services supplied by Smart resources manage their execution through a robot behavior architecture. Robot behavior execution is hierarchically organized through a mission definition that can be established as an individual or collective approach. Environment model and interaction tasks characterize the operation capabilities of each robot within a mission. Mission goal achievement in a heterogeneous group is enhanced through the complement of the interaction capabilities of each robot. To offer a clearer explanation, a full use case is presented in which two robots cooperate to execute a mission and the previously detailed steps are evaluated. Finally, some of the obtained results are discussed as conclusions and future works is introduced.Los entornos domésticos se encuentran sometidos a un proceso de cambio gracias al empleo de dispositivos tecnológicos que mejoran la calidad de vida de las personas. La creciente demanda de alta tecnología en los hogares señala una próxima incorporación de la robótica de servicio. Los dispositivos domésticos están evolucionando hacia un paradigma de conexión en el cual la información fluye para ofrecer una gestión más eficiente. En este entorno, robots heterogéneos conectados a la red pueden establecer un flujo de trabajo que ofreciendo nuevas soluciones y incrementando la eficiencia en la ejecución de tareas. Este trabajo aborda la definición y los requisitos necesarios para la ejecución de misiones en grupos de robots heterogéneos en entornos domésticos. La solución propuesta se apoya en una red de Smart resources, que son definidos como sistemas ciber-físicos que proporcionan servicios de alto nivel. En primer lugar, se presenta la arquitectura del middleware de control en la cual se basa la ejecución de los Smart resources. A continuación se detalla la topología de los Smart resources, así como su integración en plataformas robóticas. Los servicios proporcionados por los Smart resources gestionan su ejecución mediante una arquitectura de comportamientos para robots. La ejecución de estos comportamientos se organiza de forma jerárquica mediante la definición de una misión con un objetivo establecido de forma individual o colectiva a un grupo de robots. Dentro de una misión, las tareas de modelado e interacción con el entorno define las capacidades de operación de los robots dentro de una misión. Mediante la integración de un grupo heterogéneo de robots sus diversas capacidades son complementadas para el logro un objetivo común. A fin de caracterizar esta propuesta, los mecanismos presentados en este documento se evaluarán en detalle a lo largo de una serie experimentos en los cuales un grupo de robots heterogéneos ejecutan una misión colaborativa para alcanzar un objetivo común. Finalmente, los resultados serán discutidos a modo de conclusiones dando lugar el establecimiento de un trabajo futuro.Els entorns domèstics es troben sotmesos a un procés de canvi gràcies a l'ocupació de dispositius tecnològics que milloren la qualitat de vida de les persones. La creixent demanda d'alta tecnologia a les llars assenyala una propera incorporació de la robòtica de servei. Els dispositius domèstics estan evolucionant cap a un paradigma de connexió en el qual la informació flueix per oferir una gestió més eficient. En aquest entorn, robots heterogenis connectats a la xarxa poden establir un flux de treball que ofereix noves solucions i incrementant l'eficiència en l'execució de tasques. Aquest treball aborda la definició i els requisits necessaris per a l'execució de missions en grups de robots heterogenis en entorns domèstics. La solució proposada es recolza en una xarxa de Smart resources, que són definits com a sistemes ciber-físics que proporcionen serveis d'alt nivell. En primer lloc, es presenta l'arquitectura del middleware de control en la qual es basa l'execució dels Smart resources. A continuació es detalla la tipologia dels Smart resources, així com la seva integració en plataformes robòtiques. Els serveis proporcionats pels Smart resources gestionen la seva execució mitjançant una arquitectura de comportaments per a robots. L'execució d'aquests comportaments s'organitza de forma jeràrquica mitjançant la definició d'una missió amb un objectiu establert de forma individual o col·lectiva a un grup de robots. Dins d'una missió, les tasques de modelatge i interacció amb l'entorn defineix les capacitats d'operació dels robots dins d'una missió. Mitjançant la integració d'un grup heterogeni de robots seves diverses capacitats són complementades per a l'assoliment un objectiu comú. Per tal de caracteritzar aquesta proposta, els mecanismes presentats en aquest document s'avaluaran en detall mitjançant d'una sèrie experiments en els quals un grup de robots heterogenis executen una missió col·laborativa per aconseguir un objectiu comú. Finalment, els resultats seran discutits a manera de conclusions donant lloc a l'establiment d'un treball futur.Munera Sánchez, E. (2017). MISSION-ORIENTED HETEROGENEOUS ROBOT COOPERATION BASED ON SMART RESOURCES EXECUTION [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/88404TESI

A COLLISION AVOIDANCE SYSTEM FOR AUTONOMOUS UNDERWATER VEHICLES

The work in this thesis is concerned with the development of a novel and practical collision avoidance system for autonomous underwater vehicles (AUVs). Synergistically, advanced stochastic motion planning methods, dynamics quantisation approaches, multivariable tracking controller designs, sonar data processing and workspace representation, are combined to enhance significantly the survivability of modern AUVs. The recent proliferation of autonomous AUV deployments for various missions such as seafloor surveying, scientific data gathering and mine hunting has demanded a substantial increase in vehicle autonomy. One matching requirement of such missions is to allow all the AUV to navigate safely in a dynamic and unstructured environment. Therefore, it is vital that a robust and effective collision avoidance system should be forthcoming in order to preserve the structural integrity of the vehicle whilst simultaneously increasing its autonomy. This thesis not only provides a holistic framework but also an arsenal of computational techniques in the design of a collision avoidance system for AUVs. The design of an obstacle avoidance system is first addressed. The core paradigm is the application of the Rapidly-exploring Random Tree (RRT) algorithm and the newly developed version for use as a motion planning tool. Later, this technique is merged with the Manoeuvre Automaton (MA) representation to address the inherent disadvantages of the RRT. A novel multi-node version which can also address time varying final state is suggested. Clearly, the reference trajectory generated by the aforementioned embedded planner must be tracked. Hence, the feasibility of employing the linear quadratic regulator (LQG) and the nonlinear kinematic based state-dependent Ricatti equation (SDRE) controller as trajectory trackers are explored. The obstacle detection module, which comprises of sonar processing and workspace representation submodules, is developed and tested on actual sonar data acquired in a sea-trial via a prototype forward looking sonar (AT500). The sonar processing techniques applied are fundamentally derived from the image processing perspective. Likewise, a novel occupancy grid using nonlinear function is proposed for the workspace representation of the AUV. Results are presented that demonstrate the ability of an AUV to navigate a complex environment. To the author's knowledge, it is the first time the above newly developed methodologies have been applied to an A UV collision avoidance system, and, therefore, it is considered that the work constitutes a contribution of knowledge in this area of work.J&S MARINE LT