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Multi-Robot Persistent Coverage in Complex Environments

Palacios Gasós, José Manuel
Sagües Blazquiz, Carlos (dir.) ; Montijano Muñoz, Eduardo (dir.)

Universidad de Zaragoza, 2018
(Informática e Ingeniería de Sistemas)


Resumen: Los recientes avances en robótica móvil y un creciente desarrollo de robots móviles asequibles han impulsado numerosas investigaciones en sistemas multi-robot. La complejidad de estos sistemas reside en el diseño de estrategias de comunicación, coordinación y control
para llevar a cabo tareas complejas que un único robot no puede realizar. Una tarea particularmente interesante es la cobertura persistente, que pretende mantener cubierto en el tiempo un entorno con un equipo de robots moviles. Este problema tiene muchas aplicaciones como aspiración o limpieza de lugares en los que la suciedad se acumula constantemente, corte de césped o monitorización ambiental. Además, la aparición de vehículos aéreos no tripulados amplía estas aplicaciones con otras como la vigilancia o el rescate.
Esta tesis se centra en el problema de cubrir persistentemente entornos progresivamente mas complejos. En primer lugar, proponemos una solución óptima para un entorno convexo con un sistema centralizado, utilizando programación dinámica en un horizonte temporal
nito. Posteriormente nos centramos en soluciones distribuidas, que son más robustas, escalables y eficientes. Para solventar la falta de información global, presentamos un algoritmo de estimación distribuido con comunicaciones reducidas. Éste permite a los robots tener
una estimación precisa de la cobertura incluso cuando no intercambian información con todos los miembros del equipo. Usando esta estimación, proponemos dos soluciones diferentes basadas en objetivos de cobertura, que son los puntos del entorno en los que más se puede
mejorar dicha cobertura. El primer método es un controlador del movimiento que combina un término de gradiente con un término que dirige a los robots hacia sus objetivos. Este método funciona bien en entornos convexos. Para entornos con algunos obstáculos, el segundo
método planifica trayectorias abiertas hasta los objetivos, que son óptimas en términos de cobertura. Finalmente, para entornos complejos no convexos, presentamos un algoritmo capaz de encontrar particiones equitativas para los robots. En dichas regiones, cada robot
planifica trayectorias de longitud finita a través de un grafo de caminos de tipo barrido.
La parte final de la tesis se centra en entornos discretos, en los que únicamente un conjunto finito de puntos debe que ser cubierto. Proponemos una estrategia que reduce la complejidad del problema separándolo en tres subproblemas: planificación de trayectorias
cerradas, cálculo de tiempos y acciones de cobertura y generación de un plan de equipo sin colisiones. Estos subproblemas más pequeños se resuelven de manera óptima. Esta solución se utiliza en último lugar para una novedosa aplicación como es el calentamiento por inducción doméstico con inductores móviles. En concreto, la adaptamos a las particularidades de una cocina de inducción y mostramos su buen funcionamiento en un prototipo real.


Resumen (otro idioma): Recent advances in mobile robotics and an increasing development of aordable autonomous mobile robots have motivated an extensive research in multi-robot systems. The complexity of these systems resides in the design of communication, coordination and control strategies to perform complex tasks that a single robot can not. A particularly interesting task is that of persistent coverage, that aims to maintain covered over time a given environment with a team of robotic agents. This problem is of interest in many applications such as vacuuming, cleaning a place where dust is continuously settling, lawn mowing or environmental monitoring. More recently, the apparition of useful unmanned aerial vehicles (UAVs) has encouraged the application of the coverage problem to surveillance and monitoring. This thesis focuses on the problem of persistently covering a continuous environment in increasingly more dicult settings. At rst, we propose a receding-horizon optimal solution for a centralized system in a convex environment using dynamic programming. Then we look for distributed solutions, which are more robust, scalable and ecient. To deal with the lack of global information, we present a communication-eective distributed estimation algorithm that allows the robots to have an accurate estimate of the coverage of the environment even when they can not exchange information with all the members of the team. Using this estimation, we propose two dierent solutions based on coverage goals, which are the points of the environment in which the coverage can be improved the most. The rst method is a motion controller, that combines a gradient term with a term that drives the robots to the goals, and which performs well in convex environments. For environments with some obstacles, the second method plans open paths to the goals that are optimal in terms of coverage. Finally, for complex, non-convex environments we propose a distributed algorithm to nd equitable partitions for the robots, i.e., with an amount of work proportional to their capabilities. To cover this region, each robot plans optimal, nite-horizon paths through a graph of sweep-like paths. The nal part of the thesis is devoted to discrete environment, in which only a nite set of points has to be covered. We propose a divide-and-conquer strategy to separate the problem to reduce its complexity into three smaller subproblem, which can be optimally solved. We rst plan closed paths through the points, then calculate the optimal coverage times and actions to periodically satisfy the coverage required by the points, and nally join together the individual plans of the robots into a collision-free team plan that minimizes simultaneous motions. This solution is eventually used for a novel application that is domestic induction heating with mobile inductors. We adapt it to the particular setting of a domestic hob and demonstrate that it performs really well in a real prototype.

Pal. clave: robótica

Departamento: Informática e Ingeniería de Sistemas

Nota: Presentado: 23 03 2018
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, Informática e Ingeniería de Sistemas, 2018



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