Investigación

 

 

  • Modelado y control de vehí­culos autónomos aéreos y terrestres

 

Los diferentes robots considerados (UAV+UGV) están dotados de distintas capacidades y distintos grados de autonomí­a. La finalidad radica en el estudio y desarrollo de los algoritmos embarcados en los vehí­culos, para la percepción, actuación, localización, control y navegación autónoma o teleoperada. Este es el paso previo a la cooperación y coordinación de múltiples robots.

Tanto el modelado como el control de este tipo de robots, necesitan de una arquitectura robusta, capaz de traducir información de alto nivel proveniente del usuario, a comandos de control que proporcionen el nivel de autonomí­a requerido para la ejecución de una misión. De esta manera, nuestra investigación ha dado como resultado el desarrollo de un Lenguaje de Control de Vehí­culos aéreos (AVCL), el cual embarca desde el modelado de vehí­culos hasta la completa definición de una misión, considerando las conexiones entre dispositivos hardware (sensores) y software.

 

  • Sistemas de control embarcados

Tanto los vehiculos de tierra (pioneer y wiwibot) como los aéreos (quadrotors y helicopteros) han sido dotado de varia instrumentación para su navegación autonoma y telecontrol. Entre ellos, GPS, brujula y sensores inerciales (IMU), comunicación inalambric, y se han diseñado e implementado algoritmos de fusión sensorial (basados en filtros de Kalman) para mejorar la localización.

 

  • Sistemas de supervisión y control de misión


En el campo de las interfaces para el control y la supervisión de equipos de robots, estamos desarrollando una interfaz gráfica de usuario (GUI) que permite:

  1. visualizar posición y estado de los robots
  2. el control manual de los robots
  3. recibir los datos de los sensores, incluso cámaras para la visión propioceptiva desde las cámaras de cada robot
  4. definir varios tipos de objetivos (areas, perimetros, puntos de interés) y tareas
  5. enviar objetivos y tareas globales para su reparto entre un (sub)conjunto de los robots que forman el equipo, y verificar el resultado del reparto
  6. asignar objetivos especí­ficos a un(os) robot

Como futuro desarrollo, se incorporarán mapas digitales del terreno para una visión más realista del teatro de la misión.

 

  • Mini y micro robots aerotransportados (sensobots)


Se ha llevado a cabo un estudio sobre tipos y modelos de hardware de comunicaciones inalámbricas comerciales existentes, tipos de sistemas operativos, protocolos, tamaño, alcance, consumo etc.
Además, se han considerado caracterí­sticas como precio, fiabilidad, robustez,

Se han estudiado los tipos de arquitecturas de comunicaciones posibles y se han diseñado, prototipado y probado varios modelos de contenedores resistentes a la caí­da.

Se han diseñado distintas placas para integrar los sistemas necesarios:

Comunicaciones y procesado de datos: palca encargada   de   realizar   las   tareas   de   proceso,   gestionar   las   comunicaciones   inalámbricas  y  cargar  la  baterí­a  externa, integra microcontrolador, sistema de comunicaciones, sistema de gestión de la baterí­a, además de puertos de expansión y conectores inter-placa.

Navegación: comprende  varios  sensores  destinados  principalmente  a  la  navegación  y  detección  de  
obstáculos, como GPS,sensores-IR, altí­metro, accelerometro, giroscopo, brújula.

Motores: diseñada  para  controlar  4  motores  brushless  BLDC  de  3  fases  (outrunners)  de  
manera  autónoma  y/o  controlada  por  el  microcontrolador  de  la  placa  1.

 

  • Arquitecturas y algoritmos de control para equipos de robots

La arquitectura de la plataforma Fractal, basada en la arquitectura 4D/RCS. Consta de dos niveles de elementos “sección” y “vehí­culos”, compuestas por Nodos. En niveles más bajos cada vehí­culo posee distintos bloques internos de alto nivel (interpretación de tareas), como comunicación, control, herramientas, etc. En un nivel primitivo los controladores de actuadores y sensores. La plataforma permite diferentes comportamientos. Si se quiere trabajar de manera completamente autónoma y monitorear las actividades que se realizan, las entradas de nivel usuario se realizan al nivel de sección, en cambio las salidas para la monitorización llegaran de los diferentes niveles.
En cambio si lo deseado es tele-operar cada elemento la interfaz actuara al nivel primitivo. Si lo deseado es una colaboración entre pares de forma automática, el nivel que se suprime es la sección.

Se he diseñado un nuevo sistema para el control de marcha en formación basado en"virtual joints" que permite tratar la formación de robots como una estructura multi-cuerpo. Además, el calculo de los movimientos se hace de forma distribuita con un algorimto inspirado a la computación paralela con una complejidad de log2(n), lo que permite la gestión eficiente de un gran numero de robots.

 

  • Sistemas de decisión colectiva y distribución de tareas en sistemas multi-robot

En este tema, hemos trabajado en algorithmos para el reparto de tareas basados en negociaciones. Hemos desarrollado un protocolo de negociaciones basado en Teorí­a de Juegos, extendido con un algoritmo de busqueda de ofertas y contraofertas. El protocolo se basa también en una abstacción del concepto de tarea, que hace que el protocolo sea aplicable en varios contextos y tipos de misiones.  

 

 

  • Percepcí­on

Hemos tabajado en algoritmos de localización de objetivos basados en algoritmos evolutivos. Estos algoritmos han sido capaces de calcular las coordenadas 6D (posiciión y orientación) de un objetivos a partir de imagenes de las camara de los robots. Además, se ha podido incorporar información procedente de otros sensores (como IMU) para mejorar la localización, e incluso detectar la posición a partir de imagenes procedentes de dos camaras.

 


 

PUBLICATIONS

 

Journal Papers

  • C. Rossi, M. Abderrahim, J.C. Diaz Tracking moving optima using Kalman-based predictions", Evolutionary Computation, MIT Press, Vol. 16, Nr. 1, 2008.

 

  • C. Rossi, M. Abderrahim, J.C. Diaz "Pose estimation for Variable Configuration Objects: an Evolutionary Approach to Vision-based Navigation and Inspection", WSEAS Transactions on Information Science and Applications, Vol. 3, Nr. 3, pp. 538-545, 2006.

 

 
  • Colorado, J.D., Barrientos, A., and Rossi, C. 2009. Dynamics Modeling and Simulation of Serpentine Locomotion in Snake-like robots with an O(log2n) computational complexity. Under revision by The International Journal of Robotics Research, to publish by SAGE.

Book Chapters

  • A. Barrientos, C. Rossi, R. San Martin
    "Identification and Modelling of Flight Dynamics in Mini-Helicopters Using Neural Networks"
    In A. Lazinicka, (Ed.) Intelligent Aerial Vehicles. To appear (2008).  

 

  • Barrientos, A., Gutierrez, P., and Colorado, J.D. 2008. Advanced UAV Trajectory Generation: Planning and Guidance, in book, Aerial Vehicles, published in November by     In-Tech, Vol. 1, chapter 4, pp. 55-82, ISBN: 978-953-7619-41-1

Conference Papers

  • C. Rossi, L. Aldama, A. Barrientos, "Negotiation of Target Points for Teams of Heterogeneous Robots: an Application to Exploration", IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), St. Luis, MO, USA, 2009.

 

  • Colorado, J.D., and Barrientos, A. 2009. Miniature Quad-rotor Dynamics Modeling & Guidance for Vision-based Target Tracking Control Tasks. Accepted for publication. Proceedings of The 14th International Conference on Advanced Robotics -ICAR’09, June 22-26, Munich, Germany.

 

  • Barrientos, A., Colorado, J.D., and Gutierrez, P. 2009. TG2M: Trajectory Generator and Guidance Module for the Aerial Vehicle Control Language AVCL. Proceedings of the 40th International Symposium on Robotics- ISR’09, Barcelona-Spain, March. ISBN: 978-84-920933-8-0.

 

  • Colorado, J.D., Barrientos, A., and Rossi, C. 2009. Follow-the-leader Formation Control using a Scalable O(log2n) Parallel Architecture. Under revision by The IEEE proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent RObots and Systems- IROS’09, October 11 to 15, at St. Louis, MO, USA.

 

  • Claudio Rossi, Leyre Aldama, Antonio Barrientos, Alberto Valero, Carlos Cruz, Negotiation of Target Points for Teams of Heterogeneous Robots: an Application to Exploration. Under revision by The IEEE proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent RObots and Systems- IROS’09, October 11 to 15, at St. Louis, MO, USA.

 

  • C. Rossi, L. Aldama, A. Barrientos,
    "Simultaneous Task Subdivision and Assignment for Teams of Heterogeneous Robots"
    International Conference on Robotics and utomation (ICRA), Kobe, Japan, 2009.

 

  • Claudio Rossi, Leyre Aldama, Antonio Barrientos, "Simultaneous Task Subdivision and Assignment in the FRACTAL Multi-robot System"
    40th International Symposium on Robotics (ISR 2009), Barcelona, 2009. (To appear)

 

  • Leyre Aldama, Claudio Rossi, Antonio Barrientos, "Subdivisión y Reparto de Tareas en el Sistema Multi-robot FRACTAL", Workshop Robocity 2030: Cooperación en Robótica. Madrid (Spain), Febrero 2009. ISBN: 978-84-691-6414-324.

 

  • Claudio Rossi, Antonio Barrientos,
    "Seguimiento de optimos en movimiento a travez de predicciones basadas en filtros de Kalman" (in spanish)
    VI Congreso Espanol sobre Metaheuristicas, Algoritmos Evolutivos y Bioinspirados, Malaga, 2009.

 

  • Alexander Martinez, Antonio Barrientos, Claudio Rossi, Pedro Gutierrez, Rodrigo San Martin, Jaime del Cerro, "Modelling and Controller Design Methodology for Unmanned Vertical Take Off and Landing (UVTOL) Vehicles", International Symposium on Robotics (ISR 2008), Seoul, Korea, 2008.  

 

  • Martinez, A., Rossi, C., Gutierrez, P., Del Cerro, J., Barrientos, A., San Martin, R., ”Modelling and controller prototyping for unmanned vertical take off and landing vehicles", European Modeling and Simulation Symposium (EMSS), Briatico, Italy, 2008.  

 

  • C. Rossi, A. Barrientos, J. del Cerro, P. Gutierrez, A. Martinez, R. San Martin, "Pose Estimation with Multiple Sources Using Evolutionary Algorithms", IEEE International Symposium on Intelligent Signal Processing (WISP), 2007.

 

  • P. Gutierrez, J. del Cerro, A. Barrientos, R. San Martin, A. Martinez, C. Rossi, "Planificacion de misiones de UAV mediante el Lenguaje de Control de Vehiculos Aereos" (in spanish) in proc. of 2rd Workshop RoboCity2030, 2007.

 

  • C. Rossi, A. Barrientos, J. del Cerro, "Two Adaptive Mutation Operators for Optima Tracking in Dynamic Optimization Problems with Evolution Strategies". In Proc. Genetic and Evolutionary Computation Conference (GECCO 2007), London, 2007.

 

  • A. Barrientos, J. del Cerro, R. San Martin, P. Gutierrez, A. Martinez, C. Rossi, "Control architecture of the VAMPIRA autonomous helicopter" (in Spanish) in Proc. Workshop on Robot Control Architectures, Madrid, 2007.