Tesis (Ingeniería de Sistemas y Automática)

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Cooperation of multiple heterogeneous aerial robots in surveillance missions
(2014-11-01) Acevedo Báñez, José Joaquín; Arrue Ullés, Begoña C.; Ollero Baturone, Aníbal; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática
Esta Tesis está dedicada al desarrollo de técnicas que permitan aplicar de forma eficiente un equipo de robots aéreos en misiones de vigilancia, teniendo en cuenta tres objetivos principales: detectar nuevos eventos o intrusos que aparezcan en el área vigilada, informar sobre los nuevos eventos detectadas al resto del equipo y decidir qué hacer con esos nuevos eventos detectados en base a las capacidades y estados de los robots aéreos. Esta Tesis no se centra en problemas de bajo nivel tales como el control del movimiento de los robots, enlaces de comunicación o detección de evento basado en visión. Por contra, la Tesis se dedica a la coordinación distribuida y descentralizada de los robots aéreos. Usar múltiples robots aéreos ofrece muchas ventajas para aplicaciones de vigilancia y monitorización cuando se compara con el uso de un único robot aéreo, pero ello supone un relevante desafío a superar: la coordinación de todos los robots para que puedan cooperar en la misión. Sin embargo, empleando un sistema centralizado, la solución sería menos robusta a fallos, menos dinámica y menos escalable. Además, sería necesario un canal de comunicación continuamente abierto entre todos los robots, que normalmente no puede asegurarse. Por lo tanto, un sistema distribuido es una solución más adecuada para conseguir la cooperación de todos los robots en este tipo de aplicaciones. En primer lugar, se necesita definir un criterio para patrullar el área vigilada de manera que se maximice la cantidad de eventos detectados. Suponiendo que no hay información acerca de cuándo y dónde pueden aparecer los eventos o intrusos, la solución más eficiente sería maximizar la frecuencia con la que cualquier posición del área vigilada es monitorizada por algún robot aéreo. Esto es equivalente a minimizar el tiempo de refresco o tiempo entre cada par de visitas consecutivas a cada posición dentro del área. Se distingue entre tres tipos de estrategias cooperativas para enfocar el problema desde un criterio basado en el tiempo de refresco: estrategias cíclicas, estrategias de partición de camino y estrategias de partición de área. Las estrategias de partición (tanto la de camino como la de área) son las más adecuadas para este tipo de aplicaciones porque aseguran la propagación de la información entre todos los robots, incluso en condiciones de comunicaciones limitadas. Esto se relaciona con el objetivo de informar sobre nuevos eventos a todos los robots. Además, aprovecha las capacidades diferentes de los robots heterogéneos en la solución. Se proponen principalmente dos técnicas de coordinación para conseguir que el sistema multi-robot converja a la estrategia de partición deseada (camino o área) de manera distribuida: las basadas en la coordinación “uno-a-uno” (one-to-one) y la basada en las “variables de coordinación” (coordination variables). Los algoritmos basados en la coordinación “uno-a-uno” necesitan que los robots almacenen menos información que los basados en las “variables de coordinación”. Sin embargo, aunque ambos algoritmos convergen a la estrategia de partición, el tiempo de convergencia del algoritmo basado en la coordinación “uno-a-uno” aumenta de manera cuadrática con el número de robots aéreos, mientras que el del basado en “variables de coordinación” lo hace de manera lineal. Por otra parte, ambos algoritmos son totalmente escalables y robustos a fallos de robos y cambios en las condiciones iniciales del problema. En segundo lugar, como la información sobre los eventos detectados se ha propagado entre todos los robots aéreos, el objetivo es decidir cómo actuar ante estos eventos de manera distribuida. Normalmente, para misiones de vigilancia y monitorización, esto implica decidir qué robot aéreo debería ir a la posición donde está ocurriendo para gestionarlo (apagando un fuego, recogiendo basura, midiendo radioactividad o contaminación, siguiendo un intruso, etc.) en base al estado y características de los eventos y al estado y capacidades de los robots. Por lo tanto, se define un problema distribuido de asignación de tareas. En esta Tesis se propone el diseño de métodos de asignación de tareas dinámicos basados en las técnicas de coordinación distribuida propuestas antes: coordinación uno-a-uno y variables de coordinación.
Desarrollo de herramientas software y hardware para aplicaciones de inspección industrial con UAVs
(2023-09-15) Pérez Jiménez, Manuel; Arrue Ullés, Begoña C.; Ramón Soria, Pablo; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática
Los avances tecnológicos producidos en ordenadores, baterías y nuevas formas de fabricación han desencadenado que se pueda usar hoy en día vehículos aéreos no tripulados para el desarrollo de aplicaciones industriales. Tareas que antiguamente eran realizadas por operadores, pueden ser sustituidas por drones y otros vehículos que faciliten la recopilación de datos o ejecución de acciones concretas. Por lo tanto, se podrían evitar accidentes y poner en riesgo a la persona. El objetivo de esta Tesis es dotar de herramientas y soluciones específicas a distintos casos de uso de aplicaciones de inspección industrial. Por ello, se han desarrollado varias librerías de código libre que facilitan la integración de brazos robóticos en vehículos aéreos no tripulados y permiten controlar la aeronave para realizar vuelos autónomos. Además, las librerías integran diferentes interfaces gráficas para realizar tareas de configuración y simplificar su uso. Como resultado del desarrollo de la Tesis, se han creado distintas aplicaciones industriales que solucionan algunos problemas actuales. Para validar los resultados, ha sido necesario realizar experimentos en el laboratorio y, posteriormente, en entornos reales. Confirmando así, el diseño de las herramientas y distintos algoritmos de control afrontando situaciones no controladas y variables. Las librerías resultantes, proponen un comienzo para que personas de todo el mundo puedan colaborar para desarrollar nuevas herramientas y seguir solucionando problemas que se encuentren para hacer más robusto y fiable el código escrito. A diferencia de una solución cerrada, este tipo de producto puede adaptarse para soluciones específicas.
Developing Soft Bio-Inspired Cooperation Methods and Mechanisms for Flapping Wings Aerial Robots (FWAR)
(2023-09-20) Pérez-Sánchez, Vicente; Arrue Ullés, Begoña C.; Ollero Baturone, Aníbal; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática
Esta tesis doctoral contribuye al estado actual de la robótica aérea desarrollando sistemas bioinspirados que permiten reducir los riesgos para las personas durante la interacción con los robots. Para ello se require ir más allá de los conceptos tradicionales de la robótica. En cuanto a la interacción, las plataformas aéreas tradicionales, como los multicópteros y alas fijas tienen limitadas capacidades debido al uso de hélices como mecanismos para la generación de propulsión. Esto se hace aún más notorio en los casos en los que se interacciona con usuarios que no están acostumbrados a su uso. Otros riesgos añadidos por estas son la energía de impacto producida, en el caso del ala fija por su velocidad de vuelo, y en el caso de multicopteros, por el peso y la ausencia de superficies aerodinámicas. Esta tesis propone el uso de ornitópteros para mitigar los riesgos generados por las plataformas aéreas tradicionales. Sin embargo, las capacidades de vuelos de estos están limitadas debido a su estado de desarrollo. En esta investigación se propone contribuir al estado actual de los ornitópteros de dos maneras. La primera, desarrollando sistemas de manipulación que les permitan interaccionar con el medio. La segunda, contribuyendo al desarrollo de sistemas de vuelo que le permitan superar las limitaciones actuales. La manipulación era un campo con pocos desarrollos en ornitópteros al comienzo de esta investigación. El sistema tiene que ser capaz de manipular una gran variedad de objetos. A su vez, tiene que mantener la rigidez necesaria para generar el suficiente agarre manteniendo el equilibrio durante el posado en diferentes lugares. También es objetivo de este manipulador incrementar la seguridad de interacción con humanos siendo capaz de realizar el posado en su brazo. Para alcanzar estos objetivos los manipuladores han utilizado dispositivos y materiales de robótica blanda tomando a las aves como inspiración y base del desarrollo. Para ello se ha realizado un profundo estudio de los materiales utilizados y métodos de actuación, teniendo en cuenta el peso que añaden a la plataforma, utilizando desarrollos novedosos para respetar las limitaciones de peso. El vuelo de las plataformas de alas batientes está muy limitado por la carga que pueden transportar y su maniobrabilidad. Esta tesis propone replicar los sistemas de vuelo de las aves para superar las limitaciones. Los desarrollos se verán reflejados en la cola y alas del ornitóptero. Para alcanzar estos objetivos, el desarrollo de los sistemas ha hecho necesario un profundo estudio de los materiales utilizados con el fin de no solo replicar su geometría, sino también el movimiento durante la actuación. En el caso de la cola el desarrollo de esta implica la utilización de actuadores muy novedosos empleados anteriormente con otros propósitos. Sin embargo, estos son capaces de replicar perfectamente el movimiento de las colas de los pájaros reduciendo el peso y los riesgos durante la operación. Al final de esta tesis doctoral se presenta un ornitóptero robótico plenamente bioinspirado con capacidad de manipular y posarse consiguiendo reducir al mínimo los riesgos en la interacción con humanos.
Visual Perception System for Aerial Manipulation: Methods and Implementations
(2019-04-26) Ramón Soria, Pablo; Ollero Baturone, Aníbal; Arrue Ullés, Begoña C.; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática
La tecnología se evoluciona a gran velocidad y los sistemas autónomos están empezado a ser una realidad. Las compañías están demandando, cada vez más, soluciones robotizadas para mejorar la eficiencia de sus operaciones. Este también es el caso de los robots aéreos. Su capacidad única de moverse libremente por el aire los hace excelentes para muchas tareas que son tediosas o incluso peligrosas para operadores humanos. Hoy en día, la gran cantidad de sensores y drones comerciales los hace soluciones muy tentadoras. Sin embargo, todavía se requieren grandes esfuerzos de obra humana para customizarlos para cada tarea debido a la gran cantidad de posibles entornos, robots y misiones. Los investigadores diseñan diferentes algoritmos de visión, hardware y sensores para afrontar las diferentes tareas. Actualmente, el campo de la robótica manipuladora aérea está emergiendo con el objetivo de extender la cantidad de aplicaciones que estos pueden realizar. Estas pueden ser entre otras, inspección, mantenimiento o incluso operar válvulas u otras máquinas. Esta tesis presenta un sistema de manipulación aérea y un conjunto de algoritmos de percepción para la automatización de las tareas de manipulación aérea. El diseño completo del sistema es presentado y una serie de frameworks son presentados para facilitar el desarrollo de este tipo de operaciones. En primer lugar, la investigación relacionada con el análisis de objetos para manipulación y planificación de agarre considerando diferentes modelos de objetos es presentado. Dependiendo de estos modelos de objeto, se muestran diferentes algoritmos actuales de análisis de agarre y algoritmos de planificación para manipuladores simples y manipuladores duales. En Segundo lugar, el desarrollo de algoritmos de percepción para detección de objetos y estimación de su posicione es presentado. Estos permiten al sistema identificar objetos de cualquier tipo en cualquier escena para localizarlos para efectuar las tareas de manipulación. Estos algoritmos calculan la información necesaria para los análisis de manipulación descritos anteriormente. En tercer lugar. Se presentan algoritmos de visión para localizar el robot en el entorno al mismo tiempo que se elabora un mapa local, el cual es beneficioso para las tareas de manipulación. Estos mapas se enriquecen con información semántica obtenida en los algoritmos de detección. Por último, se presenta el desarrollo del hardware relacionado con la plataforma aérea, el cual incluye unos manipuladores de bajo peso y la invención de una herramienta para realizar tareas de contacto con superficies rígidas que sirve de estimador de la posición del robot. Todas las técnicas presentadas en esta tesis han sido validadas con extensiva experimentación en plataformas reales.

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Examinando Tesis (Ingeniería de Sistemas y Automática) por Autor "Arrue Ullés, Begoña C."