Cooperative strategies for the detection and localization of odorants with robots and artificial noses

Abstract

En este trabajo de investigación se aborda el diseño de una plataforma robótica orientada a la implementación de estrategias de búsqueda cooperativa bioinspiradas. En particular, tanto el proceso de diseño de la parte electrónica como hardware se han enfocado hacia la validación en entornos reales de algoritmos capaces de afrontar problemas de búsqueda con incertidumbre, como lo es la búsqueda de fuentes de olor que presentan variación espacial y temporal. Este tipo de problemas pueden ser resueltos de forma más eficiente con el empleo de enjambres con una cantidad razonable de robots, y por tanto la plataforma ha sido desarrollada utilizando componentes de bajo coste. Esto ha sido posible por la combinación de elementos estandarizados -como la placa controladora Arduino y otros sensores integrados- con piezas que pueden ser fabricadas mediante una impresora 3D atendiendo a la filosofía del hardware libre (open-source). Entre los requisitos de diseño se encuentran además la eficiencia energética -para maximizar el tiempo de funcionamiento de los robots-, su capacidad de posicionamiento en el entorno de búsqueda, y la integración multisensorial -con la inclusión de una nariz electrónica, sensores de luminosidad, distancia, humedad y temperatura, así como una brújula digital-. También se aborda el uso de una estrategia de comunicación adecuada basada en ZigBee. El sistema desarrollado, denominado GNBot, se ha validado tanto en los aspectos de eficiencia energética como en sus capacidades combinadas de posicionamiento espacial y de detección de fuentes de olor basadas en disoluciones de etanol. La plataforma presentada -formada por el GNBot, su placa electrónica GNBoard y la capa de abstracción software realizada en Python- simplificará por tanto el proceso de implementación y evaluación de diversas estrategias de detección, búsqueda y monitorización de odorantes, con la estandarización de enjambres de robots provistos de narices artificiales y otros sensores multimodales.This research work addresses the design of a robotic platform oriented towards the implementation of bio-inspired cooperative search strategies. In particular, the design processes of both the electronics and hardware have been focused towards the real-world validation of algorithms that are capable of tackling search problems that have uncertainty, such as the search of odor sources that have spatio-temporal variability. These kind of problems can be solved more efficiently with the use of swarms formed by a considerable amount of robots, and thus the proposed platform makes use of low cost components. This has been possible with the combination of standardized elements -as the Arduino controller board and other integrated sensors- with custom parts that can be manufactured with a 3D printer attending to the open-source hardware philosophy. Among the design requirements is the energy efficiency -in order to maximize the working range of the robots-, their positioning capability within the search environment, and multiple sensor integration -with the incorporation of an artificial nose, luminosity, distance, humidity and temperature sensors, as well as an electronic compass-. Another subject that is tackled is the use of an efficient wireless communication strategy based on ZigBee. The developed system, named GNBot, has also been validated in the aspects of energy efficiency and for its combined capabilities for autonomous spatial positioning and detection of ethanol-based odor sources. The presented platform -formed by the GNBot, the GNBoard electronics and the abstraction layer built in Python- will thus simplify the processes of implementation and evaluation of various strategies for the detection, search and monitoring of odorants with conveniently standardized robot swarms provided with artificial noses and other multimodal sensors