Task management for aerial robots in missions with physical interaction with the environment

Abstract

Este trabajo de fin de grado se enmarca en el proyecto del programa europeo Horizons 2020, PILOTING, el cual está enfocado en la inspección y mantenimiento de refinerías e infraestructuras civiles por medio de soluciones robóticas. De esta forma, se pretende aumentar la calidad y rapidez de las operaciones de mantenimiento, así como reducir el coste de las mismas. La Universidad de Sevilla participa en este proyecto con el desarrollo de dos robots aéreos encargados de realizar distintas tareas en túneles y viaductos. El primer robot es el VIAD-DRONE y tendrá 3 casos de uso diferentes, todos ellos en viaductos. En primer lugar, realizará la inspección de los cojinetes amortiguadores de los pilares donde descasa el viaducto. Para esto, el vehículo transportará un gimbal y una cámara con la que tomará fotos de los mismos. Además, se utilizará para la instalación de cajas de sensores sobre los pilares del viaducto, que serán utilizadas por los end-users del proyecto para tomar medidas de las vibraciones de la estructura. Por último, el robot pegará pegatinas con una escala métrica junto a defectos previamente identificados. De esta forma, una vez pegada la pegatina, otro robot se encargará de fotografiar el defecto y la pegatina ayudará a obtener medidas precisas de las dimensiones del defecto a partir del procesamiento de las imágenes. El otro robot, el TTDRONE, se encarga de realizar inspecciones visuales en túneles. Este robot recorre el túnel junto con un UGV que detecta posibles defectos en la superficie. Una vez detectados, estos posibles defectos son inspeccionados de cerca por el robot aéreo volando hacia ellos y haciendo fotos. En este trabajo se ha desarrollado un gestor de misiones para estos robots que se encarga de recibir las inspecciones o instalaciones a efectuar y planea las acciones que deben realizar para llevarlas a cabo. Estas acciones deberán ejecutarse una por una y se corresponderán con acciones necesarias para mover un UAV (despegar, ir a un determinado waypoint, aterrizar. . . ) o con acciones para realizar la propia instalación o inspección. Todos los robots del proyecto se controlan con una misma estación en tierra, la cual fue desarrollada por CATEC, una de las empresas que participan en el proyecto. La interfaz de la estación es muy general para poder permitir el control de robots con distintas configuraciones y que ejecutan tareas diferentes con una misma estación. El gestor de misiones desarrollado se comunica de forma directa con ella y, por tanto, está completamente condicionado por ella. La estación recibe una nube de puntos del entorno donde se van a realizar las inspecciones o las instalaciones con puntos señalando dónde se deben hacer. Tras esto, permite diseñar la misión a realizar a partir de la creación de una ruta de waypoints de distintos tipos que el robot deberá seguir. Para que todos los robots puedan usar la misma estación, su desarrollador es libre de establecer el formato en el que deben llegar los waypoints de las misiones. Cuando el formato es incorrecto, la estación permite que el robot envíe mensajes explicando el motivo del rechazo. En el caso de la inspección de los cojinetes, debido a que tiene que volar muy cerca del viaducto para poder hacer las fotos y al riesgo y difícil control que esto supone, el robot cuenta con unas orugas (similares a las de los tanques) en su parte superior que utiliza para pegarse al tablero del viaducto y acercarse posteriormente para hacer las fotos. Los waypoints que debe recibir para poder planificar estas acciones son el punto de contacto con el viaducto y dos waypoints asociados con los cojinetes. De esta forma el robot se pegará al techo en el punto de contacto y avanzará hacia el punto medio de los cojinetes hasta quedar a una distancia apropiada. En el caso de la instalación de la caja de sensores actúa de forma similar, con la diferencia de que solamente recibe el punto de contacto y el punto donde debe dejar la caja. En este caso, el robot debe dejar la caja en un hueco muy estrecho y es por ello que es igualmente necesario utilizar las orugas para realizar la instalación de forma segura. En el caso de la instalación de la pegatina y la inspección de defectos en túneles, solamente necesita recibir el punto de inspección o de instalación. Además de los waypoints para la instalación o la inspección, también puede recibir waypoints intermedios que el robot deberá seguir para evitar obstáculos. Una vez el robot recibe la lista del waypoints, el gestor de misiones desarrollado se encarga de recorrer la lista asociando a cada waypoint o cada grupo de waypoints una acción o grupo de acciones del robot. Tras la planificación, la ejecución de la misión puede solicitarse desde la estación por cualquiera de los waypoints de la misma. Cuando recibe la instrucción, el gestor de misiones se encarga de recorrer la lista de acciones planeadas llamando a su ejecución. Durante la ejecución de la misión, el gestor de misiones debe ofrecer también una serie de funcionalidades de seguridad. Entre ellas, debe enviar información sobre el progreso de la misión y sobre la localización y estado del robot, así como gestionar la solicitud de parar la misión o abortarla. El sistema se ha implementado utilizando ROS y el lenguaje de programación C++. El nodo de comunicación con la estación lo proporciona CATEC (al igual que proporciona la estación) y se comunica con el gestor de misiones a partir de topics y servicios. El gestor de misiones crea un objeto de una clase dedicada a su implementación y inicializa los topics y servicios necesarios para la comunicación estableciendo como callbacks métodos de esta clase dedicada. Tras esto, espera la publicación en topics o llamadas a sus servicios y los callbacks de estos se encargan de llamar a otros métodos de la clase que implementan las funcionalidades. La ejecución de acciones es llevada a cabo por un nodo aparte. Durante la ejecución de la misión, el gestor de misiones se encarga de hacer llamadas a este nodo para ejecutar acciones concretas y este las ejecuta. De esta forma, se simplifica mucho la implementación del gestor de misiones. Una vez implementado el sistema, se ha validado su funcionamiento a través de simulaciones, tratando de tener en cuenta la mayor cantidad de situaciones concretas posibles.

This Bachelor’s thesis is part of the PILOTING project of the European program Horizons 2020. This project focuses on improving the quality and speed of maintenance activities using robotic solutions. The University of Seville develops two robots for this project, for which a mission manager has been developed in this thesis. The mission manager receives information about inspections or installations the robots have to perform in viaducts or tunnels and plans the actions which the robots must do to fulfill the tasks. It has been designed, implemented and validated obtaining a suitable system to be used in the robots of the project.