Artificial Intelligence and Systems Theory: Applied to Cooperative Robots

This paper describes an approach to the design of a population of cooperative robots based on concepts borrowed from Systems Theory and Artificial Intelligence. The research has been developed under the SocRob project, carried out by the Intelligent Systems Laboratory at the Institute for Systems and Robotics - Instituto Superior Tecnico (ISR/IST) in Lisbon. The acronym of the project stands both for "Society of Robots" and "Soccer Robots", the case study where we are testing our population of robots. Designing soccer robots is a very challenging problem, where the robots must act not only to shoot a ball towards the goal, but also to detect and avoid static (walls, stopped robots) and dynamic (moving robots) obstacles. Furthermore, they must cooperate to defeat an opposing team. Our past and current research in soccer robotics includes cooperative sensor fusion for world modeling, object recognition and tracking, robot navigation, multi-robot distributed task planning and coordination, including cooperative reinforcement learning in cooperative and adversarial environments, and behavior-based architectures for real time task execution of cooperating robot teams

Mobile robot competitions: fostering advances in research, development and education in robotics

Mobile robot competitions are events well suited to experimentation, research and development in many areas concerned with science and technology, ranging from material science to artificial intelligence. Aware of this fact, and for several years now, some Portuguese Universities have been involving some of their Engineering and Computer Science students in such contests, namely those of international level. The performance has been improving both in terms of the results and prizes obtained and the increasingly elaborate technical solutions developed by the teams. The importance recognised in these events has led the authors to submit to the Portuguese Government a proposal for an annual Festival of this kind in Portugal. This paper points out the advances in research, technology and education, which result from this type of events

Arquitectura para coordenação em tempo-real de múltiplas unidades móveis autónomas

Doutoramento em Engenharia ElectrotécnicaInterest on using teams of mobile robots has been growing, due to their potential to cooperate for diverse purposes, such as rescue, de-mining, surveillance or even games such as robotic soccer. These applications require a real-time middleware and wireless communication protocol that can support an efficient and timely fusion of the perception data from different robots as well as the development of coordinated behaviours. Coordinating several autonomous robots towards achieving a common goal is currently a topic of high interest, which can be found in many application domains. Despite these different application domains, the technical problem of building an infrastructure to support the integration of the distributed perception and subsequent coordinated action is similar. This problem becomes tougher with stronger system dynamics, e.g., when the robots move faster or interact with fast objects, leading to tighter real-time constraints. This thesis work addressed computing architectures and wireless communication protocols to support efficient information sharing and coordination strategies taking into account the real-time nature of robot activities. The thesis makes two main claims. Firstly, we claim that despite the use of a wireless communication protocol that includes arbitration mechanisms, the self-organization of the team communications in a dynamic round that also accounts for variable team membership, effectively reduces collisions within the team, independently of its current composition, significantly improving the quality of the communications. We will validate this claim in terms of packet losses and communication latency. We show how such self-organization of the communications can be achieved in an efficient way with the Reconfigurable and Adaptive TDMA protocol. Secondly, we claim that the development of distributed perception, cooperation and coordinated action for teams of mobile robots can be simplified by using a shared memory middleware that replicates in each cooperating robot all necessary remote data, the Real-Time Database (RTDB) middleware. These remote data copies, which are updated in the background by the selforganizing communications protocol, are extended with age information automatically computed by the middleware and are locally accessible through fast primitives. We validate our claim showing a parsimonious use of the communication medium, improved timing information with respect to the shared data and the simplicity of use and effectiveness of the proposed middleware shown in several use cases, reinforced with a reasonable impact in the Middle Size League of RoboCup.O interesse na utilização de equipas multi-robô tem vindo a crescer, devido ao seu potencial para cooperarem na resolução de vários problemas, tais como salvamento, desminagem, vigilância e até futebol robótico. Estas aplicações requerem uma infraestrutura de comunicação sem fios, em tempo real, suportando a fusão eficiente e atempada dos dados sensoriais de diferentes robôs bem como o desenvolvimento de comportamentos coordenados. A coordenação de vários robôs autónomos com vista a um dado objectivo é actualmente um tópico que suscita grande interesse, e que pode ser encontrado em muitos domínios de aplicação. Apesar das diferenças entre domínios de aplicação, o problema técnico de construir uma infraestrutura para suportar a integração da percepção distribuída e das acções coordenadas é similar. O problema torna-se mais difícil à medida que o dinamismo dos robôs se acentua, por exemplo, no caso de se moverem mais rápido, ou de interagirem com objectos que se movimentam rapidamente, dando origem a restrições de tempo-real mais apertadas. Este trabalho centrou-se no desenvolvimento de arquitecturas computacionais e protocolos de comunicação sem fios para suporte à partilha de informação e à realização de acções coordenadas, levando em consideração as restrições de tempo-real. A tese apresenta duas afirmações principais. Em primeiro lugar, apesar do uso de um protocolo de comunicação sem fios que inclui mecanismos de arbitragem, a auto-organização das comunicações reduz as colisões na equipa, independentemente da sua composição em cada momento. Esta afirmação é validada em termos de perda de pacotes e latência da comunicação. Mostra-se também como a auto-organização das comunicações pode ser atingida através da utilização de um protocolo TDMA reconfigurável e adaptável sem sincronização de relógio. A segunda afirmação propõe a utilização de um sistema de memória partilhada, com replicação nos diferentes robôs, para suportar o desenvolvimento de mecanismos de percepção distribuída, fusão sensorial, cooperação e coordenação numa equipa de robôs. O sistema concreto que foi desenvolvido é designado como Base de Dados de Tempo Real (RTDB). Os dados remotos, que são actualizados de forma transparente pelo sistema de comunicações auto-organizado, são estendidos com a respectiva idade e são disponibilizados localmente a cada robô através de primitivas de acesso eficientes. A RTDB facilita a utilização parcimoniosa da rede e bem como a manutenção de informação temporal rigorosa. A simplicidade da integração da RTDB para diferentes aplicações permitiu a sua efectiva utilização em diferentes projectos, nomeadamente no âmbito do RoboCup

Robôs Móveis com Visão Omnidirecional

Atualmente, na área da robótica, existe uma grande variedade de situações que implicam o deslocamento dos robôs. Assim, é necessário o ajuste da posição do robô para diferentes posições, pelo que os sistemas de visão atuam, não só na determinação do posicionamento global do robô relativamente ao meio onde se encontram, mas também em reconhecimento de padrões, identificação de objetos e extração de caraterísticas das imagens recolhidas. Os sistemas de visão omnidirecionais permitem obter imagens com um ângulo aumentado do sistema.Assim, os sistemas catadióptricos, que consistem, tipicamente, numa câmara convencional apontada a um ou mais espelhos, normalmente de forma hiperbólica, permitem aumentar o campo de visão, embora com uma taxa de distorção elevada. Neste trabalho pretende-se abordar estes assuntos, com particular incidência na calibração do sistema de visão catadióptrico, utilizando como plataformas de testes os robôs do futebol robótico MSL da equipa 5DPO.No futebol robótico, é essencial a informação extraída a partir do sistema de visão, quer para a deteção da bola, dos limites do campo, obstáculos ou balizas, quer em termos de localização do robô em campo, através da fusão de dados com a odometria. Deste modo, é de maior relevância a calibração do sistema de visão, para garantir que os dados são corretos, ou pelo menos, viáveis, com o mínimo de erro possível

Perceção e arquitectura de software para robótica móvel

Doutoramento em Ciências da ComputaçãoWhen developing software for autonomous mobile robots, one has to inevitably tackle some kind of perception. Moreover, when dealing with agents that possess some level of reasoning for executing their actions, there is the need to model the environment and the robot internal state in a way that it represents the scenario in which the robot operates. Inserted in the ATRI group, part of the IEETA research unit at Aveiro University, this work uses two of the projects of the group as test bed, particularly in the scenario of robotic soccer with real robots. With the main objective of developing algorithms for sensor and information fusion that could be used e ectively on these teams, several state of the art approaches were studied, implemented and adapted to each of the robot types. Within the MSL RoboCup team CAMBADA, the main focus was the perception of ball and obstacles, with the creation of models capable of providing extended information so that the reasoning of the robot can be ever more e ective. To achieve it, several methodologies were analyzed, implemented, compared and improved. Concerning the ball, an analysis of ltering methodologies for stabilization of its position and estimation of its velocity was performed. Also, with the goal keeper in mind, work has been done to provide it with information of aerial balls. As for obstacles, a new de nition of the way they are perceived by the vision and the type of information provided was created, as well as a methodology for identifying which of the obstacles are team mates. Also, a tracking algorithm was developed, which ultimately assigned each of the obstacles a unique identi er. Associated with the improvement of the obstacles perception, a new algorithm of estimating reactive obstacle avoidance was created. In the context of the SPL RoboCup team Portuguese Team, besides the inevitable adaptation of many of the algorithms already developed for sensor and information fusion and considering that it was recently created, the objective was to create a sustainable software architecture that could be the base for future modular development. The software architecture created is based on a series of di erent processes and the means of communication among them. All processes were created or adapted for the new architecture and a base set of roles and behaviors was de ned during this work to achieve a base functional framework. In terms of perception, the main focus was to de ne a projection model and camera pose extraction that could provide information in metric coordinates. The second main objective was to adapt the CAMBADA localization algorithm to work on the NAO robots, considering all the limitations it presents when comparing to the MSL team, especially in terms of computational resources. A set of support tools were developed or improved in order to support the test and development in both teams. In general, the work developed during this thesis improved the performance of the teams during play and also the e ectiveness of the developers team when in development and test phases.Durante o desenvolvimento de software para robôs autónomos móveis, e inevitavelmente necessário lidar com algum tipo de perceção. Al em disso, ao lidar com agentes que possuem algum tipo de raciocínio para executar as suas ações, há a necessidade de modelar o ambiente e o estado interno do robô de forma a representar o cenário onde o robô opera. Inserido no grupo ATRI, integrado na unidade de investigação IEETA da Universidade de Aveiro, este trabalho usa dois dos projetos do grupo como plataformas de teste, particularmente no cenário de futebol robótico com robôs reais. Com o principal objetivo de desenvolver algoritmos para fusão sensorial e de informação que possam ser usados eficazmente nestas equipas, v arias abordagens de estado da arte foram estudadas, implementadas e adaptadas para cada tipo de robôs. No âmbito da equipa de RoboCup MSL, CAMBADA, o principal foco foi a perceção da bola e obstáculos, com a criação de modelos capazes de providenciar informação estendida para que o raciocino do robô possa ser cada vez mais eficaz. Para o alcançar, v arias metodologias foram analisadas, implementadas, comparadas e melhoradas. Em relação a bola, foi efetuada uma análise de metodologias de filtragem para estabilização da sua posição e estimação da sua velocidade. Tendo o guarda-redes em mente, foi também realizado trabalho para providenciar informação de bolas no ar. Quanto aos obstáculos, foi criada uma nova definição para a forma como são detetados pela visão e para o tipo de informação fornecida, bem como uma metodologia para identificar quais dos obstáculos são colegas de equipa. Além disso foi desenvolvido um algoritmo de rastreamento que, no final, atribui um identicador único a cada obstáculo. Associado a melhoria na perceção dos obstáculos foi criado um novo algoritmo para realizar desvio reativo de obstáculos. No contexto da equipa de RoboCup SPL, Portuguese Team, al em da inevitável adaptação de vários dos algoritmos j a desenvolvidos para fusão sensorial e de informação, tendo em conta que foi recentemente criada, o objetivo foi criar uma arquitetura sustentável de software que possa ser a base para futuro desenvolvimento modular. A arquitetura de software criada e baseada numa série de processos diferentes e métodos de comunicação entre eles. Todos os processos foram criados ou adaptados para a nova arquitetura e um conjunto base de papeis e comportamentos foi definido para obter uma framework funcional base. Em termos de perceção, o principal foco foi a definição de um modelo de projeção e extração de pose da câmara que consiga providenciar informação em coordenadas métricas. O segundo objetivo principal era adaptar o algoritmo de localização da CAMBADA para funcionar nos robôs NAO, considerando todas as limitações apresentadas quando comparando com a equipa MSL, principalmente em termos de recursos computacionais. Um conjunto de ferramentas de suporte foram desenvolvidas ou melhoradas para auxiliar o teste e desenvolvimento em ambas as equipas. Em geral, o trabalho desenvolvido durante esta tese melhorou o desempenho da equipas durante os jogos e também a eficácia da equipa de programação durante as fases de desenvolvimento e teste

SocRob - A Society of Cooperative Mobile Robots

The SocRob project was born as a challenge for multidisciplinary research on broad and generic approaches for the design of a cooperating society of robots, involving Control, Robotics and Artificial Intelligence researchers. In this paper we introduce some of the hardware options already taken by the group in the design of a robotic soccer team, chosen as our first case study. Each robot of the population is endowed with several sensors. The most important of them is vision. The others are linked to the main processing unit (a Pentium motherboard) by an i2c bus. Conceptual issues regarding the functional architecture of the team are also discussed. We propose a 3-level architecture, consisting of a set of context-switchable behaviors, each of them resulting of the composition of low-level task primitives. 1 Introduction Multi-agent systems have become very popular in recent years, especially as a research area in Distributed Artificial Intelligence (DAI) [12]. Simultaneously, several..