Autor de tesis. Acevedo Báñez, José Joaquín

Cooperation of multiple heterogeneous aerial robots in surveillance missions.
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. Ambas técnicas obtienen soluciones secuenciales (any-time) y dinámicas que son muy adecuadas para problemas de asignación donde las tareas pueden aparecer, desaparecer o cambiar, y las decisiones deben tomarse rápidamente.   En esta Tesis se proponen otros problemas de asignación relacionados con las misiones de vigilancia con múltiples robot aéreos que se solucionan usando algoritmos basados en estas técnicas de coordinación. El problema de vigilancia permanente con múltiples planeadores autónomos usando térmicas estáticas se enfoca como un problema de asignación donde las térmicas son consideradas recursos que tienen que ser dinámicamente asignadas entre los planeadores para que puedan permanecer volando de manera permanente. Además, considerando un perímetro dividido en zonas con distintas prioridades, se define el criterio de urgencia para aislar el problema de estas prioridades. Así, se propone un problema de asignación con el objetivo de distribuir los robots aéreos entre las distintas zonas para minimizar la urgencia a lo largo de todo el perímetro.   Por último, se presentan simulaciones y pruebas experimentales para validar y comparar los distintos algoritmos aplicados a misiones de vigilancia.