Sintonización de controlador PID utilizando Quorum Sensing (QS) bacterial

Objective: PID controllers are widely used to operate AC motors due to their simplicity and easy implementation. However, adjusting its parameters in search of an optimal scheme can be complex because it requires manual tuning by trial and error. This research aims to implement an optimized tuning scheme through a search based on the idealized behavior of a community of bacteria and its Quorum Sensing (QS). Methodology: A closed-loop system model with PID control considering disturbances is proposed in order to tune a disturbance-resistant controller. The response of the model is calculated using a search that mimics a simplified model of bacterial behavior. The scheme uses ITSE (Integral Time Squared Error) as the performance index. Results: The tuning resulting from the proposed scheme was evaluated by simulation and compared with tunings of the same model made by Root Locus and Genetic Algorithms (GA). The results showed a satisfactory response according the design criteria. Conclusions: Nowadays, PID controllers are still basic industrial control tools, particularly important in motor operation. The performance of these controls depends fundamentally on the design of their gain. In the case of complex plants, additional tools are required to facilitate PID tuning. We propose an intelligent and bio-inspired tuning scheme that demonstrates high performance in laboratory tests. Financing: University Francisco José de Caldas through the project 1-72-578-18.Objetivo: Los controladores PID son ampliamente utilizados para operar motores AC debido a su simplicidad y fácil implementación. Sin embargo, la sintonización de sus parámetros en busca de un esquema óptimo puede ser compleja debido a que requiere sintonización manual mediante prueba y error. El objetivo de esta investigación es implementar un esquema de ajuste optimizado mediante una búsqueda basada en el comportamiento idealizado de una comunidad de bacterias y su detección de quórum (Quorum Sensing, QS). Metodología: Se plantea el modelo del sistema en lazo cerrado con control PID considerando las perturbaciones con el objetivo de sintonizar un controlador resistente a ellas. La respuesta del modelo se calcula mediante una búsqueda que imita un modelo simplificado de comportamiento bacterial. El esquema utiliza el ITSE (Integral Time Squared Error) como indice de desempeño. Resultados: La sintonización mediante el esquema propuesto fue evaluada mediante simulación y comparada con sintonizaciones del mismo modelo realizadas mediante Root Locus y Algoritmos Genéticos (GA). Los resultados mostraron una respuesta satisfactoria frente a los criterios de diseño. Conclusiones: Los controladores PID siguen siendo hoy en día herramientas básicas de control industrial, particularmente importantes en el manejo de motores. El desempeño de estos controles depende fundamentalmente del diseño de su ganancia. En el caso de plantas complejas se requiere de herramientas adicionales que faciliten la sintonización del PID. Nosotros proponemos un esquema de sintonización inteligente y bio-inspirado que demuestra un alto desempeño en pruebas de laboratorio. Financiamiento: Universidad Distrital Francisco José de Caldas a través del proyecto 1-72-578-18

Robot semi-autónomo para el transporte de pacientes con movilidad reducida

Este artículo documenta el diseño y desarrollo de un prototipo robótico semi-autónomo para el transporte de pacientes con movilidad reducida en un lugar específico, como vivienda, lugar de estudio o trabajo. El perfil de diseño consideró un módulo de tracción diferencial, un módulo de sensores de proximidad, un módulo de control de sistemas de tracción, comando y el modelo del entorno. El sistema posee herramientas embebidas soportadas en microcontroladores, procesadores con arquitectura ARM, y un computador personal. El código se desarrolló en Python sobre sistemas Linux Debian. Las pruebas de desempeño se aplicaron a un prototipo real de laboratorio, sobre el cual se demostró su funcionamiento

Estrategia de navegación autónoma para un enjambre de robots utilizando comunicación local

Our motivation focuses on answering a simple question: What is the minimum robotic struc­ture necessary to solve a navigation problem? Our research deals with environments that are unknown, dynamic, and denied to sensors. In particular, the paper addresses problems concerning how to coordinate the navigation of multi­ple autonomous mobile robots without requiring system identification, geometric map building, localization or state estimation. The proposed navigation algorithm uses the gradient of the environment to set the navigation control. This gradient is continuously modified by all the ro­bots in the form of local communication. The design scheme, both for the algorithm and for its implementation on robots, searches for a mi­nimal approximation, in which it minimizes the requirements of the robot (processing power, communication and kind of sensors). Besides, our research finds autonomous navigation for each robot, and also scales the system to any number of agents. The navigation algorithm is formulated for a grouping task, where the robots form autonomous groups without any external interaction or prior information of the environ­ment or information from other robots. Finally, task performance is verified through simulation for the laboratory prototypes of the group.La motivación de la investigación se enfoca en responder una simple pregunta: ¿Cuál es la mínima estructura robótica necesaria para resolver un problema de navegación? La investigación se centra en ambientes desconocidos, dinámicos y limitantes al uso de ciertos sensores. En particular, se investiga el problema de cómo coordinar la navegación de múltiples robots autónomos sin el uso de la identificación del sistema, construcción de un mapa geométrico, localización o estimación de estados. El algoritmo de navegación propuesto utiliza el gradiente del ambiente para ajustar el control de navegación, gradiente que es continuamente modificado por todos los robots en la forma de una comunicación local. El esquema de diseño, tanto del algoritmo como de su implementación en el robot, busca una aproximación minimalista, en la que se minimizan los requerimientos del robot (capacidad de procesamiento, de comunicación y tipo de sensores). Además, la investigación busca la navegación autónoma de cada robot, y el escalado del sistema a cualquier número de agentes. El algoritmo de navegación es formulado para una tarea de agrupamiento, donde los robots forman grupos autónomamente sin interacción externa o información inicial respecto al ambiente u otros robots en él. Finalmente, el desempeño de la tarea es verificado a través de simulación para los prototipos de laboratorio del grupo

Segmentación de imagen por color basado en quorum sensing bacterial

Context: The visual system of the human being is capable of a high level of image processing and ex­traction of information; on the other hand, visual analysis is a primary tool in many decision-making processes. Therefore, we propose a color-segmenta­tion scheme in images, which seeks to functionally replicate this type of processes in order to identify in the images the relevant area for the estimation of the amount of oxygen inside furnaces.Method: Bio-inspired schemes of autonomous na­vigation support the algorithm. The system tries to imitate the behavior of the bacteria (artificial agents) when they move in an unknown environment in search of food, considering only the local readings of the environment. The objective is for the agents to move to the areas of interest, so we include Quorum Sensing (QS), which consists of the bacteria relea­sing additional information in the medium when a population threshold is exceeded, and this speeds up the convergence.Results: The system was successfully applied to segment a set of images from the interior of an industrial furnace. We apply segmentation of the area corresponding to the flame to a set of images taken inside the carbonization furnace, according to reference patterns. The area to be segmented is identified by the proposed QS algorithm. After re­moving the rest of the image, we used it to estimate the oxygen content from similarity measurements using the histogram and reference images. The re­sults show a reduction in the estimation errors with respect to the same process without the segmenta­tion of the image.Conclusions: Problems present in the images taken inside the furnace, such as slides and low contrast with the background, produce erroneous estima­tes of the oxygen level in the combustion process. We performed tests and could conclude that such errors can be reduced by pre-processing the images, in particular using the proposed algorithm to isolate the image area with the relevant information.Contexto: El sistema visual del ser humano es ca­paz de un elevado nivel de procesamiento de imá­genes y extracción de información; por otro lado, muchos procesos de toma de decisiones se soportan en el análisis visual como herramienta primaria. Se propone, por lo tanto, un esquema de segmentación de imágenes de acuerdo al color que busca replicar funcionalmente este tipo de procesos a fin de iden­tificar en imágenes el área relevante para la estima­ción de oxígeno al interior de hornos.Método: El algoritmo está soportado por esquemas bio-inpirados de navegación autónoma. El sistema trata de imitar el comportamiento de las bacterias (agentes artificiales) cuando se desplazan en un am­biente desconocido en busca de alimento, conside­rando solamente las lecturas locales del ambiente. El objetivo es que los agentes se muevan hacia las áreas de interés, proceso que se acelera por la in­clusión del Quorum Sensing (QS) que consiste en que las bacterias liberan información adicional en el medio cuando se supera un umbral poblacional, lo cual acelera la convergencia.Resultados: El sistema ha sido aplicado exitosamen­te para segmentar un conjunto de imágenes pro­venientes del interior de un horno industrial. A un conjunto de imágenes tomadas al interior del horno de carbonización se le aplica segmentación del área correspondiente a la flama de acuerdo a patrones de referencia. El área a segmentar se identifica median­te el algoritmo propuesto de QS. Luego de remover el resto de la imagen, ésta se utiliza para estimar el contenido de oxígeno a partir de medidas de si­milaridad utilizando el histograma e imágenes de referencia. Los resultados muestran una reducción en los errores de estimación con respecto al mismo proceso sin la segmentación de la imagen.Conclusiones: Problemas presentes en las imágenes reales tomadas al interior del horno, tales como co­rrimientos y bajo contraste con el fondo, inciden en estimaciones erróneas del nivel de oxígeno en el pro­ceso de combustión. Se ha demostrado que dichos errores pueden ser reducidos mediante pre-procesa­miento de las imágenes, en particular, utilizando el algoritmo propuesto para aislar el área de la imagen con la información relevante

Desarrollo de hardware y software de un dispositivo de enlace entre docente y Estudiante con discapacidad visual en el área de matemáticas básicas

Los estudiantes con discapacidad visual en el sistema educativo colombiano cuentan con escasos mecanismos para comunicarse con sus docentes guías, situación que incrementa las brechas de inclusión y el distanciamiento social existentes. Frente a estas problemáticas se plantea el desarrollo de un dispositivo experimental de traducción de símbolos matemáticos a lenguaje Braille que a través de Internet se enlace a una aplicación web que transmite información proveniente de los ejercicios matemáticos prediseñados por el docente. Con la implementación de este prototipo apoyado en metodologías casuísticas, se buscó aportar al desarrollo de estructuras mentales espacio-temporales en las personas con discapacidad visual, a partir de las experiencias obtenidas en distintos momentos de interacción con el dispositivo y con la información percibida por este. Para el diseño, construcción y prueba del dispositivo se implementó un marco de trabajo Scrum, que permitió la división de las distintas fases del proyecto, en tareas a ejecutarse en cortos plazos. De igual manera se utilizó el método Design Thinking para la concepción del prototipo, en el que se tienen en cuenta variables como la portabilidad, la usabilidad, la adaptabilidad, la funcionalidad y la inmersión. La interacción entre el estudiante con discapacidad visual y el dispositivo se evaluó a través de un cuestionario, como evidencia de la viabilidad de adoptar este tipo de tecnologías, desde la percepción de satisfacción que se tienen con el dispositivo, la interacción sensorial táctil y auditiva, la naturalización del manejo de la interfaz y el estado de ánimo del participante

Robot semi-autónomo para el transporte de pacientes con movilidad reducida

Este artículo documenta el diseño y desarrollo de un prototipo robótico semi-autónomo para el transporte de pacientes con movilidad reducida en un lugar específico, como vivienda, lugar de estudio o trabajo. El perfil de diseño consideró un módulo de tracción diferencial, un módulo de sensores de proximidad, un módulo de control de sistemas de tracción, comando y el modelo del entorno. El sistema posee herramientas embebidas soportadas en microcontroladores, procesadores con arquitectura ARM, y un computador personal. El código se desarrolló en Python sobre sistemas Linux Debian. Las pruebas de desempeño se aplicaron a un prototipo real de laboratorio, sobre el cual se demostró su funcionamiento

Autonomous navigation strategy for robot swarms using local communication

Our motivation focuses on answering a simple question: What is the minimum robotic structure necessary to solve a navigation problem? Our research deals with environments that are unknown, dynamic, and denied to sensors. In particular, the paper addresses problems concerning how to coordinate the navigation of multi-ple autonomous mobile robots without requiring system identification, geometric map building, localization or state estimation. The proposed navigation algorithm uses the gradient of the environment to set the navigation control. This gradient is continuously modified by all the robots in the form of local communication. The design scheme, both for the algorithm and for its implementation on robots, searches for a minimal approximation, in which it minimizes the requirements of the robot (processing power, communication and kind of sensors). Besides, our research finds autonomous navigation for each robot, and also scales the system to any number of agents. The navigation algorithm is formulated for a grouping task, where the robots form autonomous groups without any external interaction or prior information of the environment or information from other robots. Finally, task performance is verified through simulation for the laboratory prototypes of the group

Autonomous navigation strategy for robot swarms using local communication

Our motivation focuses on answering a simple question: What is the minimum robotic struc­ture necessary to solve a navigation problem? Our research deals with environments that are unknown, dynamic, and denied to sensors. In particular, the paper addresses problems concerning how to coordinate the navigation of multi­ple autonomous mobile robots without requiring system identification, geometric map building, localization or state estimation. The proposed navigation algorithm uses the gradient of the environment to set the navigation control. This gradient is continuously modified by all the ro­bots in the form of local communication. The design scheme, both for the algorithm and for its implementation on robots, searches for a mi­nimal approximation, in which it minimizes the requirements of the robot (processing power, communication and kind of sensors). Besides, our research finds autonomous navigation for each robot, and also scales the system to any number of agents. The navigation algorithm is formulated for a grouping task, where the robots form autonomous groups without any external interaction or prior information of the environ­ment or information from other robots. Finally, task performance is verified through simulation for the laboratory prototypes of the group

Estrategia de navegación autónoma para un enjambre de robots utilizando comunicación local

Our motivation focuses on answering a simple question: What is the minimum robotic struc­ture necessary to solve a navigation problem? Our research deals with environments that are unknown, dynamic, and denied to sensors. In particular, the paper addresses problems concerning how to coordinate the navigation of multi­ple autonomous mobile robots without requiring system identification, geometric map building, localization or state estimation. The proposed navigation algorithm uses the gradient of the environment to set the navigation control. This gradient is continuously modified by all the ro­bots in the form of local communication. The design scheme, both for the algorithm and for its implementation on robots, searches for a mi­nimal approximation, in which it minimizes the requirements of the robot (processing power, communication and kind of sensors). Besides, our research finds autonomous navigation for each robot, and also scales the system to any number of agents. The navigation algorithm is formulated for a grouping task, where the robots form autonomous groups without any external interaction or prior information of the environ­ment or information from other robots. Finally, task performance is verified through simulation for the laboratory prototypes of the group.La motivación de la investigación se enfoca en responder una simple pregunta: ¿Cuál es la mínima estructura robótica necesaria para resolver un problema de navegación? La investigación se centra en ambientes desconocidos, dinámicos y limitantes al uso de ciertos sensores. En particular, se investiga el problema de cómo coordinar la navegación de múltiples robots autónomos sin el uso de la identificación del sistema, construcción de un mapa geométrico, localización o estimación de estados. El algoritmo de navegación propuesto utiliza el gradiente del ambiente para ajustar el control de navegación, gradiente que es continuamente modificado por todos los robots en la forma de una comunicación local. El esquema de diseño, tanto del algoritmo como de su implementación en el robot, busca una aproximación minimalista, en la que se minimizan los requerimientos del robot (capacidad de procesamiento, de comunicación y tipo de sensores). Además, la investigación busca la navegación autónoma de cada robot, y el escalado del sistema a cualquier número de agentes. El algoritmo de navegación es formulado para una tarea de agrupamiento, donde los robots forman grupos autónomamente sin interacción externa o información inicial respecto al ambiente u otros robots en él. Finalmente, el desempeño de la tarea es verificado a través de simulación para los prototipos de laboratorio del grupo