Arquitectura cognitiva basada en el gradiente sensorial y su aplicación a la robótica móvil

El objetivo de esta tesis es el desarrollo de un sistema completo de navegación, aprendizaje y planificación para un robot móvil. Dentro de los innumerables problemas que este gran objetivo plantea, hemos dedicado especial atención al problema del conocimiento autónomo del mundo. Nuestra mayor preocupación ha sido la de establecer mecanismos que permitan, a partir de información sensorial cruda, el desarrollo incremental de un modelo topológico del entorno en el que se mueve el robot. Estos mecanismos se apoyan invariablemente en un nuevo concepto propuesto en esta tesis: el gradiente sensorial. El gradiente sensorial es un dispositivo matemático que funciona como un detector de sucesos interesantes para el sistema. Una vez detectado uno de estos sucesos, el robot puede identificar su situación en un mapa topológico y actuar en consecuencia. Hemos denominado a estas situaciones especiales lugares sensorialmente relevantes, ya que (a) captan la atención del sistema y (b) pueden ser identificadas utilizando la información sensorial. Para explotar convenientemente los modelos construidos, hemos desarrollado un algoritmo capaz de elaborar planes internalizados, estableciendo una red de sugerencias en los lugares sensorialmente relevantes, de modo que el robot encuentra en estos puntos una dirección recomendada de navegación. Finalmente, hemos implementado un sistema de navegación robusto con habilidades para interpretar y adecuar los planes internalizados a las circunstancias concretas del momento. Nuestro sistema de navegación está basado en la teoría de campos de potencial artificial, a la que hemos incorporado la posibilidad de añadir cargas ficticias como ayuda a la evitación de mínimos locales. Como aportación adicional de esta tesis al campo genérico de la ciencia cognitiva, todos estos elementos se integran en una arquitectura centrada en la memoria, lo que pretende resaltar la importancia de ésta en los procesos cognitivos de los seres vivos y aporta un giro conceptual al punto de vista tradicional, centrado en los procesos. The general objective of this thesis is the development of a global navigation system endowed with planning and learning features for a mobile robot. Within this general objective we have devoted a special effort to the autonomous learning problem. Our main concern has been to establish the necessary mechanisms for the incremental development of a topological model of the robot’s environment using the sensory information. These mechanisms are based on a new concept proposed in the thesis: the sensory gradient. The sensory gradient is a mathematical device which works like a detector of “interesting” environment’s events. Once a particular event has been detected the robot can identify its situation in the topological map and to react accordingly. We have called these special situations relevant sensory places because (a) they capture the system’s attention and (b) they can be identified using the sensory information. To conveniently exploit the built-in models we have developed an algorithm able to make internalized plans, establishing a suggestion network in the sensory relevant places in such way that the robot can find at those places a recommended navigation direction. It has been also developed a robust navigation system able to navigate by means of interpreting and adapting the internalized plans to the concrete circumstances at each instant, i.e. a reactive navigation system. This reactive system is based on the artificial potential field approach with the additional feature introduced in the thesis of what we call fictitious charges as an aid to avoid local minima. As a general contribution of the thesis to the cognitive science field all the above described elements are integrated in a memory-based architecture, emphasizing the important role played by the memory in the cognitive processes of living beings and giving a conceptual turn in the usual process-based approach.

Managing Industrial Simulator Visual Databases Using Geographic Information Systems

Geographic Information Systems are developed to handle enormous volumes of data and are equipped with numerous functionalities intended to capture, store, edit, organise, process and analyse or represent the geographically referenced information. On the other hand, industrial simulators for driver training are real-time applications that require a virtual environment, either geospecific, geogeneric or a combination of the two, over which the simulation programs will be run. In the final instance, this environment constitutes a geographic location with its specific characteristics of geometry, appearance, functionality, topography, etc. The set of elements that enables the virtual simulation environment to be created and in which the simulator user can move, is usually called the Visual Database (VDB). The main idea behind the work being developed approaches a topic that is of major interest in the field of industrial training simulators, which is the problem of analysing, structuring and describing the virtual environments to be used in large driving simulators. This paper sets out a methodology that uses the capabilities and benefits of Geographic Information Systems for organising, optimising and managing the visual Database of the simulator and for generally enhancing the quality and performance of the simulator.

Planificación de trayectorias bi-objetivo en robótica aérea para agricultura de precisión

Este trabajo presenta las experiencias y resultados obtenidos al aplicar tecnicas de planificacion de trayectorias para vehıculos aereos no tripulados con el objetivo doble de tomar imagenes aereas de alta resolucion para realizar mosaicos de cultivos asi como recoger los datos recopilados por motas o sistemas sensoriales inalambricos con capacidad de crear y gestionar redes. Dichas redes son utilizadas para la monitorizacion y evaluacion de tendencias en variables como la temperatura o humedad.

Independent component analysis for the identification of sources of variation on an industrial nirs application

A Near Infrared Spectroscopy (NIRS) industrial application was developed by the LPF-Tagralia team, and transferred to a Spanish dehydrator company (Agrotécnica Extremeña S.L.) for the classification of dehydrator onion bulbs for breeding purposes. The automated operation of the system has allowed the classification of more than one million onion bulbs during seasons 2004 to 2008 (Table 1). The performance achieved by the original model (R2=0,65; SEC=2,28ºBrix) was enough for qualitative classification thanks to the broad range of variation of the initial population (18ºBrix). Nevertheless, a reduction of the classification performance of the model has been observed with the passing of seasons. One of the reasons put forward is the reduction of the range of variation that naturally occurs during a breeding process, the other is the variations in other parameters than the variable of interest but whose effects would probably be affecting the measurements [1]. This study points to the application of Independent Component Analysis (ICA) on this highly variable dataset coming from a NIRS industrial application for the identification of the different sources of variation present through seasons.

Estructura robótica Pre-Tensada para robot en tuberías petroleras

En este trabajo se presenta el desarrollo de un robot basado en la estructura Pre-Tensada con el fin de realizar tareas de inspección y mantenimiento en tuberías petroleras. Este tipo de estructura mecánica se caracteriza por su bajo peso y su alta capacidad de adaptación a los diferentes diámetros. La aplicación requiere que el dispositivo desarrollado se desplace verticalmente y a alta velocidad por las tuberías utilizadas en la extracción del petróleo. Cabe destacar que en dichas instalaciones se cuenta con Bombas Electro Sumergibles (BES) y Bombas de Cavidad Progresiva (BCP), ambas muy sensibles a las condiciones adversas del entorno; por lo tanto, la importancia de esta investigación radica en que el robot incorpora una red de sensores específicos para medir aquellas variables que puedan interferir en el funcionamiento normal de las bombas. Además, este robot permite automatizar la recuperación de objetos que pueden caer al pozo durante la instalación y mantenimiento del mismo, actualmente este proceso es manual. En este artículo se describen detalladamente las hipótesis de diseño realizadas y la metodología utilizada para el desarrollo del primer prototipo. Finalmente se presentan los resultados obtenidos de dicho desarrollo a través de los cuales se ha podido validar la potencialidad de la aplicación.

Metodología para definir los criterios de diseño de una estructura robótica en tuberías petroleras de operación vertical

Este trabajo propone la aplicación de la metodología de despliegue de la función de calidad para definir los criterios de diseño de un robot deslizante para trabajar en tareas de inspección y mantenimiento en pozos petroleros. Dicho estudio analiza inicialmente el sistema y las diferentes opciones para la colocación de una estructura robótica evaluando alternativas y estudiando una estructura robótica para tal fin. Para ello se realizó una consulta por medio de encuesta a varios expertos en el tema con la finalidad de definir las características que debe tener el robot de acuerdo con los requerimientos críticos que tiene la aplicación. En este trabajo se muestran los resultados arrojados por la matriz QFD (Quality Function Deployment) cuando los datos de entrada son los proporcionados por el grupo de expertos encuestados. A partir de estos resultados es posible determinar los requisitos técnicos que debe reunir la estructura robótica que se desea diseñar.

ROSPHERE: Diseño, Construcción y Aplicación de una Esfera Robótica

Este trabajo fin de máster presenta la concepción, diseño, modelado, simulación y construcción de un robot móvil terrestre con forma esférica, el cual presenta un mecanismo alternativo de locomoción respecto a opciones tradicionales como son los vehículos con ruedas, orugas, extremidades, etc. El sistema denominado ROSPHERE (“RObotic SPHERE”), esta ́ compuesto por una coraza o cuerpo exterior de forma esférica y un mecanismo interno que le permite autoinducir movimiento.

El futuro de la robótica y su aplicación hacia el pasado

La automatización avanzada y la robótica han constituido, desde hace ya muchos años, uno de los temas más emblemáticos de las llamadas Nuevas Tecnologías. Cuando, a nivel popular, muy poca gente distingue entre, por ejemplo, una Red Digital de Servicios Integrados de Banda Ancha de una Red Analógica, y casi nadie profano en el tema se atrevería a decir cuál de ellas es la que podría recibir el calificativo de nueva tecnología, todo el mundo siente el aroma de nueva cuando se acerca a la robótica.

Implementación de una Plataforma Experimental para un Sistema de Teleoperación Robótica en Tiempo Real

El desarrollo de este trabajo presenta la realización de una plataforma experimental, la cual permitirá investigar sobre una metodología para el diseño y análisis de un sistema teleoperado, considerando la dinámica no lineal del manipulador esclavo, así como el retardo en el canal de comunicación. El trabajado ha sido desarrollado entre el laboratorio de Automática y Robótica (DISAM) de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) y el Laboratorio de Manufactura del Centro de Tecnologías Avanzadas de Manufactura (CETAM) de la Pontificia Universidad Católica del Perú (PUCP). La estructura mecánica del brazo, así como los accionamientos eléctricos ha sido implementada. Se han desarrollado pruebas experimentales del Sistema de Teleoperación. La tarjeta PC104 (embedded board) ha sido configurada y puesta a punto, ésta comanda la interface de potencia y sensores de los motores DC de cada articulación del brazo. Se ha desarrollado los drives para el manejo de los accionamientos del maestro y del esclavo: envío/recepción de datos de posición velocidad, aceleración y corriente a través de una red CAN. Así como los programas para la interconexión a través de una red LAN, del Sistema Operativo Windows y el Sistema Operativo en Tiempo Real - QNX.

Hammer: an Android based application for end-user industrial robot programming

This paper presents a novel tablet based end-user interface for industrial robot programming (called Hammer). This application makes easier to program tasks for industrial robots like polishing, milling or grinding. It is based on the Scratch programming language, but specifically design and created for Android OS. It is a visual programming concept that allows non-skilled programmer operators to create programs. The application also allows to monitor the tasks while it is being executed by overlapping real time information through augmented reality. The application includes a teach pendant screen that can be customized according to the operator needs at every moment.

Robótica submarina: conceptos, elementos, modelado y control

Los robots submarinos han revolucionado la exploración del fondo marino. Por otro lado, estos robots han permitido realizar operaciones en aguas profundas sin la necesidad de enviar un vehículo tripulado por humanos. El futuro de esta tecnología es prometedor. El propósito de este documento es servir de primer contacto con este tema y va dirigido a estudiantes de postgrado, ingenieros e investigadores con interés en la robótica submarina. Además, se reporta el estado actual de los diferentes aspectos que giran alrededor de esta área de la robótica

Road environment modeling using robust perspective analysis and recursive Bayesian segmentation

Recently, vision-based advanced driver-assistance systems (ADAS) have received a new increased interest to enhance driving safety. In particular, due to its high performance–cost ratio, mono-camera systems are arising as the main focus of this field of work. In this paper we present a novel on-board road modeling and vehicle detection system, which is a part of the result of the European I-WAY project. The system relies on a robust estimation of the perspective of the scene, which adapts to the dynamics of the vehicle and generates a stabilized rectified image of the road plane. This rectified plane is used by a recursive Bayesian classi- fier, which classifies pixels as belonging to different classes corresponding to the elements of interest of the scenario. This stage works as an intermediate layer that isolates subsequent modules since it absorbs the inherent variability of the scene. The system has been tested on-road, in different scenarios, including varied illumination and adverse weather conditions, and the results have been proved to be remarkable even for such complex scenarios.

Video analysis based vehicle detection and tracking using an MCMC sampling framework

This article presents a probabilistic method for vehicle detection and tracking through the analysis of monocular images obtained from a vehicle-mounted camera. The method is designed to address the main shortcomings of traditional particle filtering approaches, namely Bayesian methods based on importance sampling, for use in traffic environments. These methods do not scale well when the dimensionality of the feature space grows, which creates significant limitations when tracking multiple objects. Alternatively, the proposed method is based on a Markov chain Monte Carlo (MCMC) approach, which allows efficient sampling of the feature space. The method involves important contributions in both the motion and the observation models of the tracker. Indeed, as opposed to particle filter-based tracking methods in the literature, which typically resort to observation models based on appearance or template matching, in this study a likelihood model that combines appearance analysis with information from motion parallax is introduced. Regarding the motion model, a new interaction treatment is defined based on Markov random fields (MRF) that allows for the handling of possible inter-dependencies in vehicle trajectories. As for vehicle detection, the method relies on a supervised classification stage using support vector machines (SVM). The contribution in this field is twofold. First, a new descriptor based on the analysis of gradient orientations in concentric rectangles is dened. This descriptor involves a much smaller feature space compared to traditional descriptors, which are too costly for real-time applications. Second, a new vehicle image database is generated to train the SVM and made public. The proposed vehicle detection and tracking method is proven to outperform existing methods and to successfully handle challenging situations in the test sequences.

Homography-based ground plane detection using a single on-board camera

This study presents a robust method for ground plane detection in vision-based systems with a non-stationary camera. The proposed method is based on the reliable estimation of the homography between ground planes in successive images. This homography is computed using a feature matching approach, which in contrast to classical approaches to on-board motion estimation does not require explicit ego-motion calculation. As opposed to it, a novel homography calculation method based on a linear estimation framework is presented. This framework provides predictions of the ground plane transformation matrix that are dynamically updated with new measurements. The method is specially suited for challenging environments, in particular traffic scenarios, in which the information is scarce and the homography computed from the images is usually inaccurate or erroneous. The proposed estimation framework is able to remove erroneous measurements and to correct those that are inaccurate, hence producing a reliable homography estimate at each instant. It is based on the evaluation of the difference between the predicted and the observed transformations, measured according to the spectral norm of the associated matrix of differences. Moreover, an example is provided on how to use the information extracted from ground plane estimation to achieve object detection and tracking. The method has been successfully demonstrated for the detection of moving vehicles in traffic environments.

Herramientas para la Docencia en Automática Orientadas hacia la Metodología ECTS

En los últimos años se han desarrollado una amplia variedad de herramientas educativas para la docencia. En especial, los laboratorios virtuales y remotos, como medios de educación, se van imponiendo en varios campos de la docencia. La teoría de control no está ajena a este desarrollo y son cada día más las universidades que implementan estas herramientas con el objetivo de optimizar sus recursos. Por ello, en esta tesis, se realiza un análisis de varias de las plataformas de laboratorios virtuales y remotos actuales. Este estudio sirvió de base para la implementación del Sistema de Laboratorios a Distancia (SLD). El Sistema de Laboratorios a Distancia tiene como ventajas fundamentales la independencia entre las estaciones de trabajo y el servidor, lo que permite que se puedan compartir recursos entre lugares distantes, a través de Internet. Además, la posibilidad de tener más de una estación de trabajo, con la misma práctica, controladas por el mismo servidor, lo que le brinda un mayor paralelismo. Por último, mencionar el hecho de permitir la realización de prácticas en tiempo real. En esta tesis se detalla la implementación de las prácticas remotas para el Sistema de Laboratorios a Distancia usadas en la asignatura de Regulación Automática durante los cursos 2008-2009 al 2010-2011. Estas prácticas fueron utilizadas, además de para las actividades prácticas de laboratorio, en el desarrollo de un proyecto de control, actividad ejecutada por los alumnos con un alto valor formativo. También se describen los trabajos prácticos desarrollados en el curso mediante el uso de AulaWeb. Se propone una metodología que se nutre de los resultados de cada curso con vistas a su mejoramiento. La realización de prácticas de forma presencial y remota permite combinar las ventajas de ambos métodos. La realización presencial de prácticas en el laboratorio tiene un gran valor formativo para los alumnos, permitiéndole conocer y manipular los equipos físicos con los que trabaja. Una vez que el alumno está familiarizado con los sistemas que utiliza puede trabajar con ellos a distancia, con las ventajas que ello conlleva de puesta a punto de los equipos y optimización de los recursos. El tiempo efectivo de uso de los sistemas físicos suele ser reducido, ya que la programación y captura de datos suele requerir entre 10 y 20 minutos. La realización de trabajos a distancia ahorra tiempo para el alumno a la vez que favorece el uso compartido de recursos. Otro aspecto de interés que surge al realizar actividades remotas es que no se limita el tiempo de utilización de los equipos, los alumnos pueden manipularlos sin restricciones de tiempo hasta que consideren que han alcanzado los objetivos deseados. La metodología aplicada permite la adquisición de competencias en los alumnos, específicamente las competencias para diseñar y ejecutar experimentos de control; así como analizar críticamente sus resultados. Todo desde un punto de vista de trabajo en equipo, y de forma colaborativa haciendo uso de las herramientas educativas AulaWeb y el Sistema de Laboratorios a Distancia (SLD) para la implementación de los experimentos remotos sobre equipos reales. Esta tesis se ajusta y da respuesta a los objetivos definidos como prioritarios por la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de la Universidad Politécnica de Madrid en sus líneas de prioritarias para la Innovación Educativa. De igual forma cumple con el modelo educativo de la Universidad Politécnica de Madrid (Plan de eficiencia educativa), así como con las recomendaciones sobre competencias del Consejo de Acreditación de Ingeniería y Tecnología (Accreditation Board for Engineering and Technology, ABET). Se analizan los datos recogidos mediante la observación participante, las encuestas y las entrevistas grupales por cada curso académico en los que se realizó la investigación, y se proponen los cambios y mejoras para el próximo período académico. De igual forma se exponen los resultados de los alumnos en los tres cursos que duró la investigación. Esta investigación se ha desarrollado en el marco de dos proyectos de Innovación Educativa financiados por la Universidad Politécnica de Madrid. Además, ha formado parte del Programa de Cooperación Universitaria Institucional (IUC) de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas (UCLV) con el Consejo de Universidades Flamencas (VLIR).