Design of a strategy to obtain safe paths from collaborative robot teamwork

Documento en PDF a color.figuras, tablasThis doctoral thesis was designed and implemented using a strategy of explorer agents and a management and monitoring system to obtain the shortest and safest paths. The strategy was simulated using Matlab R2016 in 10 test environments. The comparisons were made between the results obtained by considering each robot's work and contrasting it with the results obtained by implementing the cooperative-collaborative strategy. For this purpose, were used two path planning algorithms, they are the A* and the Greedy Best First Search (GBFS). Some changes were made to these classic algorithms to improve their performance to guarantee interactions and comparisons between them, transforming them into Incremental Heuristic (IH) algorithms, which gave rise to a couple of agents with new path planners called IH-A* and IH-GBFS. The cooperative strategy was implemented with IH-A* and IH-GBFS algorithms to obtain the shortest paths. The cooperative process was used 300 times in 100 complete tests (3 times in 10 tests in each of 10 environments), which allowed determining that the strategy decreased the original path (without cooperation) in 79% of the cases. In 20.50% of cases, the author identified that the cooperative process, reduced to less than half the original path. The collaborative strategy was implemented to obtain the safer path, using a communications system that allows the interaction among the explorer agents, the test environment, and the management and monitoring system to generate early warnings and compare the risk between paths. In this work, the risk is due to hidden marks found by the explorer agents; for this reason, it is implemented a potential risk function that allows obtaining the path risk estimated. The path risk estimated metric is the one that facilitates the evaluation and comparison of risk between paths to find safer paths. The AWMRs operates using a kinematic model, a controller, a path planner, and sensors that allow them to navigate through the environment gently and safely. Simultaneously with the explorer agents, the administration and monitoring system as a user interface that facilitates the presentation and consolidation of results were implemented. Subsequently, 16 tests were carried out, implementing the complete cooperative-collaborative strategy in four different environments, which had hidden marks. When analyzing the results, it was determined that the Shortest Safest Estimated Path was found in 62.5% of the tests. A WMR and a square test stage were built. In the test scenario, 240 path tracking tests were carried out (the WMR travelled 24 different paths; the WMR travelled each path ten times). The path data were obtained using odometry with encoders onboard the robot and image processing through an external camera. The author apply a tracking error analysis on the WMR path, travelling a circumference of 3.64 m in length. When comparing the path obtained with the WMR kinematic model with the data obtained using image processing, a Mean Absolute Percentage Error (MAPE) of 2,807% was obtained; and with the odometry data, the MAPE was 1,224%. As a general conclusion, this study has numerically identified the relevance of the implementation of the cooperative-collaborative strategy in robotic teamwork to find shortest and safest paths, a strategy applied in test environments that have obstacles and hidden marks. The cooperative-collaborative strategy can be used in different applications that involve displacement in a dangerous place or environment, such as a minefield or a region at risk of spreading COVID-19.Esta tesis doctoral fue diseñada e implementada utilizando una estrategia de agentes exploradores y un sistema de gestión y seguimiento para obtener caminos más cortos y seguros. La estrategia se simuló utilizando Matlab R2016 en 10 entornos de prueba. Las comparaciones se realizaron entre los resultados obtenidos al considerar el trabajo realizado por cada robot y contrastarlo con los resultados obtenidos al implementar la estrategia cooperativa-colaborativa. Para ello, se utilizaron dos algoritmos de planificación de rutas, que son el A* y el Greedy Best First Search (GBFS). Se realizaron algunos cambios a estos algoritmos clásicos para mejorar su rendimiento para garantizar interacciones y comparaciones entre ellos, transformándolos en algoritmos Heurísticos Incrementales (IH), lo que dio lugar a un par de agentes con nuevos planificadores de rutas denominados IH-A * e IH- GBFS. La estrategia cooperativa se implementó con algoritmos IH-A * e IH-GBFS para obtener los caminos más cortos. El proceso cooperativo se utilizó 300 veces en 100 pruebas completas (3 veces en 10 pruebas en cada uno de los 10 entornos), lo que permitió determinar que la estrategia disminuyó la trayectoria original (sin cooperación) en el 79% de los casos. En el 20,50% de los casos, el autor identificó que el proceso cooperativo, redujo la distancia entre inicio y meta a menos de la mitad del recorrido original. La estrategia colaborativa se implementó para obtener el camino más seguro, utilizando un sistema de comunicaciones que permite la interacción entre los agentes exploradores, el entorno de prueba y el sistema de gestión y monitoreo para generar alertas tempranas y comparar el riesgo entre caminos. En este trabajo, el riesgo se debe a las marcas ocultas encontradas por los agentes exploradores; por ello, se implementa una función de riesgo potencial que permite obtener el riesgo de ruta estimado. La métrica estimada de riesgo de ruta es la que facilita la evaluación y comparación de riesgo entre rutas para encontrar rutas más seguras. Los robots autónomos móviles con ruedas (en inglés AWMR) operan utilizando un modelo cinemático, un controlador, un planificador de rutas y sensores que les permiten navegar por el entorno de manera suave y segura. Simultáneamente con los agentes exploradores, el autor implementó un sistema de administración y monitoreo como interfaz de usuario que facilita la presentación y consolidación de resultados. Posteriormente, se realizaron 16 pruebas, implementando la estrategia cooperativa-colaborativa completa en cuatro entornos diferentes, que tenían marcas ocultas. Al analizar los resultados, se determinó que una ruta estimada más corta y más segura se obtenía en el 62.5% de las pruebas. Se construyeron un WMR y un escenario de prueba cuadrado. En el escenario de prueba, se llevaron a cabo 240 pruebas de seguimiento de ruta (el WMR recorrió 24 rutas diferentes; el WMR recorrió cada ruta diez veces). Los datos de la trayectoria se obtuvieron utilizando odometría con encoders a bordo del robot y procesamiento de imágenes a través de una cámara externa. El autor aplica un análisis de error de seguimiento en la ruta recorrida por el WMR, generando una circunferencia de 3,64 m de longitud. Al comparar la ruta obtenida con el modelo cinemático del WMR con los datos obtenidos usando el procesamiento de imágenesse obtuvo un error de porcentaje absoluto medio (MAPE) de 2.807%; y con los datos de odometría, el MAPE fue de 1,224%. Como conclusión general, este estudio ha identificado numéricamente la relevancia de la implementación de la estrategia cooperativa-colaborativa en el trabajo en equipo robótico para encontrar caminos más cortos y seguros, estrategia aplicada en entornos de prueba que poseen obstáculos y marcas ocultas. La estrategia cooperativa-colaborativa puede ser utilizada en diferentes aplicaciones que involucran el desplazamiento en un lugar o entorno peligroso, como pueden ser un campo minado o una región en riesgo de propagación de COVID-19.DoctoradoDoctor en Ingeniería - Ingeniería Automátic

Diseño y construcción de un prototipo para el estudio del movimiento parabólico

En el campo de la docencia de la física en el laboratorio es de vital importancia confrontar la teoría aprendida con la práctica; para tal fin se hace indispensable el desarrollo de sistemas didácticos que permitan verificar los modelos matemáticos que rigen los fenómenos estudiados. En el caso de la cinemática, típicamente se implementan experimentos para ilustrar el movimiento en una sola dimensión (o de sistemas con un solo grado de libertad), como por ejemplo el movimiento rectilíneo uniforme y el movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (como es el caso de la caída libre); lo que deja un abismo en la comprensión práctica por parte del estudiante de los movimientos en dos y tres dimensiones como ocurre con el movimiento parabólico (también definido en su estudio como lanzamiento de proyectiles). Al analizar el movimiento parabólico, se aplican conceptos de la cinemática que relacionan variables como la distancia recorrida, la altura máxima alcanzada, y el tiempo de vuelo del proyectil, así como la determinación del vector posición de dicho proyectil en cualquier instante con respecto a un origen de coordenadas; aunque en general estos resultados se pueden obtener matemáticamente a partir de variables como la rapidez inicial y el ángulo de lanzamiento del proyectil en los ejercicios teóricos; es común que los estudiantes no adquieran suficiente experiencia sobre tales conceptos cuando se piensa en ellos desde el punto de vista experimental o simplemente cuando se pretende cuantificar el fenómeno en el laboratorio

Estudio de la difracción de Fraunhofer de una ranura simple mediante tratamiento digital de imágenes

La transformada de Fourier posee una alta correlación con el análisis físico de la óptica. Este trabajo busca presentar la relación que existe entre la difracción de la luz a través de una ranura larga bajo los criterios de Fraunhofer y las posibilidades del análisis mediante complementario mediante el tratamiento de imágenes.

Estudio de la difracción de Fraunhofer de una ranura simple mediante tratamiento digital de imágenes

La transformada de Fourier posee una alta correlación con el análisis físico de la óptica. Este trabajo busca presentar la relación que existe entre la difracción de la luz a través de una ranura larga bajo los criterios de Fraunhofer y las posibilidades del análisis mediante complementario mediante el tratamiento de imágenes.

Dos agentes con algoritmos GBFS trabajando de forma cooperativa para obtener la ruta más corta

This study is carried out in order to verify if the implementation of the concept of cooperative work among two agents, that use path planners A* to obtain the shortest path (previous work of the authors) is also valid when the cooperative strategy is applied using another path planner such as the so-called GBFS (Greedy Best First Search). In this sense, this paper shows a path planning strategy that combines the capabilities of two Agents each one with its own path planner GBFS (slightly different from each other) in order to obtain the shortest path. The comparisons between paths are made by analyzing the behavior and results obtained from the agents operating in different forms: (1) Working individually; (2) Working as a team (cooperating and exchanging information). The results show that in all analyzed situations are obtained shortest traveled distances when the path planners work as a cooperative team.Este estudio se lleva a cabo con el fin de verificar si la implementación del concepto de trabajo cooperativo entre dos agentes, usado con planificadores A* para obtener la ruta más corta (trabajo previo de los autores) también es válida cuando la estrategia cooperativa es aplicada usando otro planificador de rutas como el llamado GBFS (Greedy Best First Search). En este sentido, el articulo muestra una estrategia de planificación de rutas que combina las capacidades de dos agentes cada uno con su propio planificador de rutas GBFS (ligeramente diferentes entre sí) para obtener la ruta más corta. La comparación entre las dos rutas se realiza analizando el comportamiento y comparando los resultados obtenidos para cada uno de los que operan en diferentes formas: (1) Trabajando individualmente; (2) Trabajando como un equipo (cooperando e intercambiando información). Los resultados muestran que para todos los casos analizados se obtiene la distancia recorrida más corta cuando los planificadores de ruta trabajan como un equipo colaborativo

Desarrollo de un modelo para el seguimiento de patrones mediante reconocimiento óptico

En este documento se relata la experiencia del diseño de un sistema de identificación de parámetros por medio del procesamiento de imágenes, en la parte inicial se detalla completamente el proceso de identificación de parámetros (Para este caso Color) de un objeto que en delante de le denominará objeto de prueba, posteriormente el algoritmo implementado entregará los datos de posición relativa de la imagen con respecto al centro de la misma, estos datos serán realimentados a un sistema de control de posición

Generación de señales senoidales mediante PWM y filtros activos de segundo orden

En este documento se presentan los resultados obtenidos al realizar el diseño de un sistema capaz de generar ondas senoidales a partir de PWM, basado en microcontrolador y filtros activos de segundo orden. El estudio inicia en el desarrollo del software que permite generar la onda modulada por ancho de pulso en el microcontrolador, continuando con el diseño de los filtros activos de segundo orden en configuración Sallen-Key, pasando por las simulaciones en Proteus®, y finalizando con su implementación en protoboard

Generación de señales senoidales mediante PWM y filtros activos de segundo orden

En este documento se presentan los resultados obtenidos al realizar el diseño de un sistema capaz de generar ondas senoidales a partir de PWM, basado en microcontrolador y filtros activos de segundo orden. El estudio inicia en el desarrollo del software que permite generar la onda modulada por ancho de pulso en el microcontrolador, continuando con el diseño de los filtros activos de segundo orden en configuración Sallen-Key, pasando por las simulaciones en Proteus®, y finalizando con su implementación en protoboard