Cooperation of multiple heterogeneous aerial robots in surveillance missions
Acevedo Báñez, José Joaquín · Dialnet (Universidad de la Rioja) · 2014
Esta Tesis esta dedicada al desarrollo de tecnicas que permitan aplicar de forma eficiente un equipo de robots aereos en misiones de vigilancia, teniendo en cuenta tres objetivos principales: detectar nuevos eventos o intrusos que aparezcan en el area vigilada, informar sobre los nuevos eventos detectadas al resto del equipo y decidir que hacer con esos nuevos eventos detectados en base a las capacidades y estados de los robots aereos. Esta Tesis no se centra en problemas de bajo nivel tales como el control del movimiento de los robots, enlaces de comunicacion o deteccion de evento basado en vision. Por contra, la Tesis se dedica a la coordinacion distribuida y descentralizada de los robots aereos. Usar multiples robots aereos ofrece muchas ventajas para aplicaciones de vigilancia y monitorizacion cuando se compara con el uso de un unico robot aereo, pero ello supone un relevante desafio a superar: la coordinacion de todos los robots para que puedan cooperar en la mision. Sin embargo, empleando un sistema centralizado, la solucion seria menos robusta a fallos, menos dinamica y menos escalable. Ademas, seria necesario un canal de comunicacion continuamente abierto entre todos los robots, que normalmente no puede asegurarse. Por lo tanto, un sistema distribuido es una solucion mas adecuada para conseguir la cooperacion de todos los robots en este tipo de aplicaciones. En primer lugar, se necesita definir un criterio para patrullar el area vigilada de manera que se maximice la cantidad de eventos detectados. Suponiendo que no hay informacion acerca de cuando y donde pueden aparecer los eventos o intrusos, la solucion mas eficiente seria maximizar la frecuencia con la que cualquier posicion del area vigilada es monitorizada por algun robot aereo. Esto es equivalente a minimizar el tiempo de refresco o tiempo entre cada par de visitas consecutivas a cada posicion dentro del area. Se distingue entre tres tipos de estrategias cooperativas para enfocar el problema desde un criterio basado en el tiempo de refresco: estrategias ciclicas, estrategias de particion de camino y estrategias de particion de area. Las estrategias de particion (tanto la de camino como la de area) son las mas adecuadas para este tipo de aplicaciones porque aseguran la propagacion de la informacion 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. Ademas, aprovecha las capacidades diferentes de los robots heterogeneos en la solucion. Se proponen principalmente dos tecnicas de coordinacion para conseguir que el sistema multi-robot converja a la estrategia de particion deseada (camino o area) de manera distribuida: las basadas en la coordinacion �uno-a-uno� (one-to-one) y la basada en las �variables de coordinacion� (coordination variables). Los algoritmos basados en la coordinacion �uno-a-uno� necesitan que los robots almacenen menos informacion que los basados en las �variables de coordinacion�. Sin embargo, aunque ambos algoritmos convergen a la estrategia de particion, el tiempo de convergencia del algoritmo basado en la coordinacion �uno-a-uno� aumenta de manera cuadratica con el numero de robots aereos, mientras que el del basado en �variables de coordinacion� 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 informacion sobre los eventos detectados se ha propagado entre todos los robots aereos, el objetivo es decidir como actuar ante estos eventos de manera distribuida. Normalmente, para misiones de vigilancia y monitorizacion, esto implica decidir que robot aereo deberia ir a la posicion donde esta ocurriendo para gestionarlo (apagando un fuego, recogiendo basura, midiendo radioactividad o contaminacion, siguiendo un intruso, etc.) en base al estado y caracteristicas de los eventos y al estado y capacidades de los robots. Por lo tanto, se define un problema distribuido de asignacion de tareas. En esta Tesis se propone el diseno de metodos de asignacion de tareas dinamicos basados en las tecnicas de coordinacion distribuida propuestas antes: coordinacion uno-a-uno y variables de coordinacion. Ambas tecnicas obtienen soluciones secuenciales (any-time) y dinamicas que son muy adecuadas para problemas de asignacion donde las tareas pueden aparecer, desaparecer o cambiar, y las decisiones deben tomarse rapidamente. En esta Tesis se proponen otros problemas de asignacion relacionados con las misiones de vigilancia con multiples robot aereos que se solucionan usando algoritmos basados en estas tecnicas de coordinacion. El problema de vigilancia permanente con multiples planeadores autonomos usando termicas estaticas se enfoca como un problema de asignacion donde las termicas son consideradas recursos que tienen que ser dinamicamente asignadas entre los planeadores para que puedan permanecer volando de manera permanente. Ademas, considerando un perimetro dividido en zonas con distintas prioridades, se define el criterio de urgencia para aislar el problema de estas prioridades. Asi, se propone un problema de asignacion con el objetivo de distribuir los robots aereos entre las distintas zonas para minimizar la urgencia a lo largo de todo el perimetro. Por ultimo, se presentan simulaciones y pruebas experimentales para validar y comparar los distintos algoritmos aplicados a misiones de vigilancia.