Equitable Persistent Coverage of Non-Convex Environments with Graph-Based Planning

In this paper we tackle the problem of persistently covering a complex non-convex environment with a team of robots. We consider scenarios where the coverage quality of the environment deteriorates with time, requiring to constantly revisit every point. As a first step, our solution finds a partition of the environment where the amount of work for each robot, weighted by the importance of each point, is equal. This is achieved using a power diagram and finding an equitable partition through a provably correct distributed control law on the power weights. Compared to other existing partitioning methods, our solution considers a continuous environment formulation with non-convex obstacles. In the second step, each robot computes a graph that gathers sweep-like paths and covers its entire partition. At each planning time, the coverage error at the graph vertices is assigned as weights of the corresponding edges. Then, our solution is capable of efficiently finding the optimal open coverage path through the graph with respect to the coverage error per distance traversed. Simulation and experimental results are presented to support our proposal.Comment: This is the accepted version an already published manuscript. See journal reference for detail

Cooperative Periodic Coverage With Collision Avoidance

In this paper we propose a periodic solution to the problem of persistently covering a finite set of interest points with a group of autonomous mobile agents. These agents visit periodically the points and spend some time carrying out the coverage task, which we call coverage time. Since this periodic persistent coverage problem is NP-hard, we split it into three subproblems to counteract its complexity. In the first place, we plan individual closed paths for the agents to cover all the points. Second, we formulate a quadratically constrained linear program to find the optimal coverage times and actions that satisfy the coverage objective. Finally, we join together the individual plans of the agents in a periodic team plan by obtaining a schedule that guarantees collision avoidance. To this end, we solve a mixed integer linear program that minimizes the time in which two or more agents move at the same time. Eventually, we apply the proposed solution to an induction hob with mobile inductors for a domestic heating application and show its performance with experiments on a real prototype.Comment: This is the accepted version an already published manuscript. See journal reference for detail

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 /

Desarrollo e implementación de estrategias de cobertura para cocinas de inducción con inductores móviles

En los últimos años, el grupo BSH Electrodomésticos España ha mostrado un creciente interés por el concepto de flexibilidad en las cocinas domésticas para ofrecer más prestaciones a los usuarios. Se pretende conseguir que las encimeras se adapten a la amplia variedad de recipientes existentes en la actualidad, con diferentes tamaños y formas. Una de las líneas de investigación que la compañía lleva años desarrollando, es la idea de dotar a los inductores de movilidad para transferir esta flexibilidad al usuario. De hecho, actualmente dispone de un prototipo de tres inductores móviles. Continuando con esta línea de investigación, el objetivo principal de este trabajo es el desarrollo de algoritmos que sean capaces de llevar a cabo una estrategia de cobertura con el fin de calentar hasta un máximo de seis recipientes. Dentro de esta tarea, se incluyen tanto la posición de los inductores y la potencia que deben entregar, como las trayectorias empleadas por el inductor para calentar recipientes más grandes que él mismo. Una vez realizado el algoritmo se implementará en una simulación para evaluar la viabilidad técnica del prototipo frente a las cocinas convencionales. Para abordar el trabajo, primeramente se divide el problema en tres tipos de situaciones que pueden darse en función del número, tamaño y posición de los recipientes, con el fin de simplificar la realización de la tarea, para su posterior unificación bajo un mismo algoritmo. Estas situaciones se diferencian en la temporalidad de la asignación y en el tipo de cobertura que realizan. De esta forma el problema queda dividido en: asignación estática con cobertura estática, asignación dinámica con cobertura estática y cobertura dinámica. El método para resolver el problema de la asignación de inductores a los recipientes es la asignación discreta de recursos minimizando el coste de asignación, calculado en función de unos parámetros estudiados, como son la distancia entre el recipiente y el inductor, la diferencia de potencia del recipiente respecto de su consigna y el tiempo que un inductor tarda en volver a calentar un recipiente. Con el fin de que las posiciones de los inductores sean viables, se estudian y resuelven los inconvenientes derivados de problemas físicos y/o térmicos, como pueden ser las colisiones entre inductores o con el borde de la cocina, o malas coberturas y acoplamientos magnéticos entre inductor y recipiente. Finalmente, se establecen trayectorias que son seguidas por los inductores para calentar las diversas formas y tamaños de recipientes que no pueden calentarse estáticamente. Para que el estudio sea lo más real posible, se utiliza el modelo de distribución de densidad de potencia de los inductores. La trayectoria óptima es la que realiza un calentamiento uniforme, eficiente y rápido