Semi-online neural-Q_leaming for real-time robot learning

Reinforcement learning (RL) is a very suitable technique for robot learning, as it can learn in unknown environments and in real-time computation. The main difficulties in adapting classic RL algorithms to robotic systems are the generalization problem and the correct observation of the Markovian state. This paper attempts to solve the generalization problem by proposing the semi-online neural-Q_learning algorithm (SONQL). The algorithm uses the classic Q_learning technique with two modifications. First, a neural network (NN) approximates the Q_function allowing the use of continuous states and actions. Second, a database of the most representative learning samples accelerates and stabilizes the convergence. The term semi-online is referred to the fact that the algorithm uses the current but also past learning samples. However, the algorithm is able to learn in real-time while the robot is interacting with the environment. The paper shows simulated results with the "mountain-car" benchmark and, also, real results with an underwater robot in a target following behavior

Vision-based localization of an underwater robot in a structured environment

This paper presents a vision-based localization approach for an underwater robot in a structured environment. The system is based on a coded pattern placed on the bottom of a water tank and an onboard down looking camera. Main features are, absolute and map-based localization, landmark detection and tracking, and real-time computation (12.5 Hz). The proposed system provides three-dimensional position and orientation of the vehicle along with its velocity. Accuracy of the drift-free estimates is very high, allowing them to be used as feedback measures of a velocity-based low-level controller. The paper details the localization algorithm, by showing some graphical results, and the accuracy of the system

Towards Direct Policy Search Reinforcement Learning for Robot Control

This paper proposes a high-level reinforcement learning (RL) control system for solving the action selection problem of an autonomous robot. Although the dominant approach, when using RL, has been to apply value function based algorithms, the system here detailed is characterized by the use of direct policy search methods. Rather than approximating a value function, these methodologies approximate a policy using an independent function approximator with its own parameters, trying to maximize the future expected reward. The policy based algorithm presented in this paper is used for learning the internal state/action mapping of a behavior. In this preliminary work, we demonstrate its feasibility with simulated experiments using the underwater robot GARBI in a target reaching task

Estimating the motion of an underwater robot from a monocular image sequence

When underwater vehicles perform navigation close to the ocean floor, computer vision techniques can be applied to obtain quite accurate motion estimates. The most crucial step in the vision-based estimation of the vehicle motion consists on detecting matchings between image pairs. Here we propose the extensive use of texture analysis as a tool to ameliorate the correspondence problem in underwater images. Once a robust set of correspondences has been found, the three-dimensional motion of the vehicle can be computed with respect to the bed of the sea. Finally, motion estimates allow the construction of a map that could aid to the navigation of the robot

Experimental Modeling and Control Strategies on an Open Mobile Robot Platform PRIM

This research work deals with the problem of modeling and design of low level speed controller for the mobile robot PRIM. The main objective is to develop an effective educational tool. On one hand, the interests in using the open mobile platform PRIM consist in integrating several highly related subjects to the automatic control theory in an educational context, by embracing the subjects of communications, signal processing, sensor fusion and hardware design, amongst others. On the other hand, the idea is to implement useful navigation strategies such that the robot can be served as a mobile multimedia information point. It is in this context, when navigation strategies are oriented to goal achievement, that a local model predictive control is attained. Hence, such studies are presented as a very interesting control strategy in order to develop the future capabilities of the system

PRIM an Open Mobile Robot Platform. Motivation, Present and Future Trends

This paper is focused on the robot mobile platform PRIM (platform robot information multimedia). This robot has been made in order to cover two main needs of our group, on one hand the need for a full open mobile robotic platform that is very useful in fulfilling the teaching and research activity of our school community, and on the other hand with the idea of introducing an ethical product which would be useful as mobile multimedia information point as a service tool. This paper introduces exactly how the system is made up and explains just what the philosophy is behind this work. The navigation strategies and sensor fusion, where machine vision system is the most important one, are oriented towards goal achievement and are the key to the behaviour of the robot

Knowledge integration within an applied mobile robot summer course

This paper presents the use of a mobile robot platform as an innovative educational tool in order to promote and integrate different curriculum knowledge. Hence, it is presented the acquired experience within a summer course named ldquoapplied mobile roboticsrdquo. The main aim of the course is to integrate different subjects as electronics, programming, architecture, perception systems, communications, control and trajectory planning by using the educational open mobile robot platform PRIM. The summer course is addressed to a wide range of student profiles. However, it is of special interests to the students of electrical and computer engineering around their final academic year. The summer course consists of the theoretical and laboratory sessions, related to the following topics: design & programming of electronic devices, modelling and control systems, trajectory planning and control, and computer vision systems. Therefore, the clues for achieving a renewed path of progress in robotics are the integration of several knowledgeable fields, such as computing, communications, and control sciences, in order to perform a higher level reasoning and use decision tools with strong theoretical base

A Camera-Projector System for Robot Positioning by Visual Servoing

Positioning a robot with respect to objects by using data provided by a camera is a well known technique called visual servoing. In order to perform a task, the object must exhibit visual features which can be extracted from different points of view. Then, visual servoing is object-dependent as it depends on the object appearance. Therefore, performing the positioning task is not possible in presence of nontextured objets or objets for which extracting visual features is too complex or too costly. This paper proposes a solution to tackle this limitation inherent to the current visual servoing techniques. Our proposal is based on the coded structured light approach as a reliable and fast way to solve the correspondence problem. In this case, a coded light pattern is projected providing robust visual features independently of the object appearance

Graphical simulators for AUV development

A long development time is needed from the design to the implementation of an AUV. During the first steps, simulation plays an important role, since it allows for the development of preliminary versions of the control system to be integrated. Once the robot is ready, the control systems are implemented, tuned and tested. The use of a real-time simulator can help closing the gap between off-line simulation and real testing using the already implemented robot. When properly interfaced with the robot hardware, a real-time graphical simulation with a "hardware in the loop" configuration, can allow for the testing of the implemented control system running in the actual robot hardware. Hence, the development time is drastically reduced. These paper overviews the field of graphical simulators used for AUV development proposing a classification. It also presents NEPTUNE, a multi-vehicle, real-time, graphical simulator based on OpenGL that allows hardware in the loop simulations

Predictive motion control of a mirosot mobile robot

This paper discusses predictive motion control of a MiRoSoT robot. The dynamic model of the robot is deduced by taking into account the whole process - robot, vision, control and transmission systems. Based on the obtained dynamic model, an integrated predictive control algorithm is proposed to position precisely with either stationary or moving obstacle avoidance. This objective is achieved automatically by introducing distant constraints into the open-loop optimization of control inputs. Simulation results demonstrate the feasibility of such control strategy for the deduced dynamic model

Disseny de controladors òptims per al robot Pioneer

Aquest projecte titulat: “Disseny de controladors òptims per al robot Pioneer”, té com a funció incloure en la recerca, que ja està iniciada, del control del Robot Pioneer 2DX, una nova versió d’agents go to per al funcionament del robot. La problemàtica que ens trobem és sobretot per al primer controlador. Fins ara el sistema multi-agent fet, feia servir un agent go to que generava la trajectòria a seguir i la controlava mitjançant un PID. Introduint un mètode geomètric com és el cas del pure pursuit la cosa es complica ja que és més complex l’ajustament del funcionament d’aquest. Centrant-nos en canvi el cas del segon controlador el problema es simplifica ja que l’ajustatge d’aquest mateix es pot realitzar de manera empírica i la problemàtica per a la situació en concret es millora amb major facilitat. És per aquest motiu, sobretot pel primer controlador, que s’han hagut de realitzar algunes modificacions en el plantejament del projecte al llarg d’aquest. En un principi estava pensat crear aquest controlador a través de Matlab® mitjançant l’eina Simulink® però per problemes de software en un moment donat hem hagut de redirigir el projecte cap al llenguatge base de l’estructura multi-agent com és el C++. Per aquest motiu també s’ha hagut de prescindir de la implementació d’aquests també en l’estructura LabView®.

Sistema de manteniment de l'equilibri per a un robot bípede

Dins el departament d’Electrònica, Informàtica i Automàtica de la Universitat de Girona s’han dissenyat i construït dues plataformes bípedes per a l’ús docent. La més evolucionada d’elles, finalitzada l’any 1999, està composada per dues cames d’alumini amb tres actuadors lineals cada una, simulant la funció del turmell, del genoll i del maluc. Els objectius que es pretenen aconseguir amb aquest projecte són molt concrets i tots ells estan destinats a millorar el funcionament del robot bípede. Aquests objectius són: (1) dissenyar dos graus de llibertat lineals en forma de pla XY per moure el pes que convingui per assegurar l’equilibri durant el moviment de la plataforma bípede, (2) dissenyar una placa amb una FPGA que generi senyals PWM pels vuit motors disponibles, que llegeixi els dos encoders dels motors del pla XY i que es comuniqui amb un PC equipat amb una tarja d’adquisició de dades específica, (3) dissenyar una placa de potència adequada pel control dels motors, (4) finalment realitzar un programa per comprovar el correcte funcionament de les plaques, dels actuadors i dels sensors utilitzats en la plataforma bípede

Integrated management of urban wastewater systems: a model-based approach

The main objective pursued in this thesis targets the development and systematization of a methodology that allows addressing management problems in the dynamic operation of Urban Wastewater Systems. The proposed methodology will suggest operational strategies that can improve the overall performance of the system under certain problematic situations through a model-based approach. The proposed methodology has three main steps: The first step includes the characterization and modeling of the case-study, the definition of scenarios, the evaluation criteria and the operational settings that can be manipulated to improve the system’s performance. In the second step, Monte Carlo simulations are launched to evaluate how the system performs for a wide range of operational settings combinations, and a global sensitivity analysis is conducted to rank the most influential operational settings. Finally, the third step consists on a screening methodology applying a multi-criteria analysis to select the best combinations of operational settings.

Computationally reliable approaches of contractive MPC for discrete-time systems

La tesis pretende explorar acercamientos computacionalmente confiables y eficientes de contractivo MPC para sistemas de tiempo discreto. Dos tipos de contractivo MPC han sido estudiados: MPC con coacción contractiva obligatoria y MPC con una secuencia contractiva de conjuntos controlables. Las técnicas basadas en optimización convexa y análisis de intervalos son aplicadas para tratar MPC contractivo lineal y no lineal, respectivamente. El análisis de intervalos clásicos es ampliado a zonotopes en la geometría para diseñar un conjunto invariante de control terminal para el modo dual de MPC. También es ampliado a intervalos modales para tener en cuenta la modalidad al calcula de conjuntos controlables robustos con una interpretación semántica clara. Los instrumentos de optimización convexa y análisis de intervalos han sido combinados para mejorar la eficacia de contractive MPC para varias clases de sistemas de tiempo discreto inciertos no lineales limitados. Finalmente, los dos tipos dirigidos de contractivo MPC han sido aplicados para controlar un Torneo de Fútbol de Copa Mundial de Micro Robot (MiroSot) y un Tanque-Reactor de Mezcla Continua (CSTR), respectivamente.

Modelling stereoscopic vision systems for robotic applications

Aquesta tesi s'emmarca dins del projecte CICYT TAP 1999-0443-C05-01. L'objectiu d'aquest projecte és el disseny, implementació i avaluació de robots mòbils, amb un sistema de control distribuït, sistemes de sensorització i xarxa de comunicacions per realitzar tasques de vigilància. Els robots han de poder-se moure per un entorn reconeixent la posició i orientació dels diferents objectes que l'envolten. Aquesta informació ha de permetre al robot localitzar-se dins de l'entorn on es troba per poder-se moure evitant els possibles obstacles i dur a terme la tasca encomanada. El robot ha de generar un mapa dinàmic de l'entorn que serà utilitzat per localitzar la seva posició. L'objectiu principal d'aquest projecte és aconseguir que un robot explori i construeixi un mapa de l'entorn sense la necessitat de modificar el propi entorn. Aquesta tesi està enfocada en l'estudi de la geometria dels sistemes de visió estereoscòpics formats per dues càmeres amb l'objectiu d'obtenir informació geomètrica 3D de l'entorn d'un vehicle. Aquest objectiu tracta de l'estudi del modelatge i la calibració de càmeres i en la comprensió de la geometria epipolar. Aquesta geometria està continguda en el que s'anomena emph{matriu fonamental}. Cal realitzar un estudi del càlcul de la matriu fonamental d'un sistema estereoscòpic amb la finalitat de reduir el problema de la correspondència entre dos plans imatge. Un altre objectiu és estudiar els mètodes d'estimació del moviment basats en la geometria epipolar diferencial per tal de percebre el moviment del robot i obtenir-ne la posició. Els estudis de la geometria que envolta els sistemes de visió estereoscòpics ens permeten presentar un sistema de visió per computador muntat en un robot mòbil que navega en un entorn desconegut. El sistema fa que el robot sigui capaç de generar un mapa dinàmic de l'entorn a mesura que es desplaça i determinar quin ha estat el moviment del robot per tal de emph{localitzar-se} dins del mapa. La tesi presenta un estudi comparatiu dels mètodes de calibració de càmeres més utilitzats en les últimes dècades. Aquestes tècniques cobreixen un gran ventall dels mètodes de calibració clàssics. Aquest mètodes permeten estimar els paràmetres de la càmera a partir d'un conjunt de punts 3D i de les seves corresponents projeccions 2D en una imatge. Per tant, aquest estudi descriu un total de cinc tècniques de calibració diferents que inclouen la calibració implicita respecte l'explicita i calibració lineal respecte no lineal. Cal remarcar que s'ha fet un gran esforç en utilitzar la mateixa nomenclatura i s'ha estandaritzat la notació en totes les tècniques presentades. Aquesta és una de les dificultats principals a l'hora de poder comparar les tècniques de calibració ja què cada autor defineix diferents sistemes de coordenades i diferents conjunts de paràmetres. El lector és introduït a la calibració de càmeres amb la tècnica lineal i implícita proposada per Hall i amb la tècnica lineal i explicita proposada per Faugeras-Toscani. A continuació es passa a descriure el mètode a de Faugeras incloent el modelatge de la distorsió de les lents de forma radial. Seguidament es descriu el conegut mètode proposat per Tsai, i finalment es realitza una descripció detallada del mètode de calibració proposat per Weng. Tots els mètodes són comparats tant des del punt de vista de model de càmera utilitzat com de la precisió de la calibració. S'han implementat tots aquests mètodes i s'ha analitzat la precisió presentant resultats obtinguts tant utilitzant dades sintètiques com càmeres reals. Calibrant cada una de les càmeres del sistema estereoscòpic es poden establir un conjunt de restriccions geomètri ques entre les dues imatges. Aquestes relacions són el que s'anomena geometria epipolar i estan contingudes en la matriu fonamental. Coneixent la geometria epipolar es pot: simplificar el problema de la correspondència reduint l'espai de cerca a llarg d'una línia epipolar; estimar el moviment d'una càmera quan aquesta està muntada sobre un robot mòbil per realitzar tasques de seguiment o de navegació; reconstruir una escena per aplicacions d'inspecció, propotipatge o generació de motlles. La matriu fonamental s'estima a partir d'un conjunt de punts en una imatges i les seves correspondències en una segona imatge. La tesi presenta un estat de l'art de les tècniques d'estimació de la matriu fonamental. Comença pels mètode lineals com el dels set punts o el mètode dels vuit punts, passa pels mètodes iteratius com el mètode basat en el gradient o el CFNS, fins arribar las mètodes robustos com el M-Estimators, el LMedS o el RANSAC. En aquest treball es descriuen fins a 15 mètodes amb 19 implementacions diferents. Aquestes tècniques són comparades tant des del punt de vista algorísmic com des del punt de vista de la precisió que obtenen. Es presenten el resultats obtinguts tant amb imatges reals com amb imatges sintètiques amb diferents nivells de soroll i amb diferent quantitat de falses correspondències. Tradicionalment, l'estimació del moviment d'una càmera està basada en l'aplicació de la geometria epipolar entre cada dues imatges consecutives. No obstant el cas tradicional de la geometria epipolar té algunes limitacions en el cas d'una càmera situada en un robot mòbil. Les diferencies entre dues imatges consecutives són molt petites cosa que provoca inexactituds en el càlcul de matriu fonamental. A més cal resoldre el problema de la correspondència, aquest procés és molt costós en quant a temps de computació i no és gaire efectiu per aplicacions de temps real. En aquestes circumstàncies les tècniques d'estimació del moviment d'una càmera solen basar-se en el flux òptic i en la geometria epipolar diferencial. En la tesi es realitza un recull de totes aquestes tècniques degudament classificades. Aquests mètodes són descrits unificant la notació emprada i es remarquen les semblances i les diferencies entre el cas discret i el cas diferencial de la geometria epipolar. Per tal de poder aplicar aquests mètodes a l'estimació de moviment d'un robot mòbil, aquest mètodes generals que estimen el moviment d'una càmera amb sis graus de llibertat, han estat adaptats al cas d'un robot mòbil que es desplaça en una superfície plana. Es presenten els resultats obtinguts tant amb el mètodes generals de sis graus de llibertat com amb els adaptats a un robot mòbil utilitzant dades sintètiques i seqüències d'imatges reals. Aquest tesi finalitza amb una proposta de sistema de localització i de construcció d'un mapa fent servir un sistema estereoscòpic situat en un robot mòbil. Diverses aplicacions de robòtica mòbil requereixen d'un sistema de localització amb l'objectiu de facilitar la navegació del vehicle i l'execució del les trajectòries planificades. La localització es sempre relativa al mapa de l'entorn on el robot s'està movent. La construcció de mapes en un entorn desconegut és una tasca important a realitzar per les futures generacions de robots mòbils. El sistema que es presenta realitza la localització i construeix el mapa de l'entorn de forma simultània. A la tesi es descriu el robot mòbil GRILL, que ha estat la plataforma de treball emprada per aquesta aplicació, amb el sistema de visió estereoscòpic que s'ha dissenyat i s'ha muntat en el robot. També es descriu tots el processos que intervenen en el sistema de localització i construcció del mapa. La implementació d'aquest processos ha estat possible gràcies als estudis realitzats i presentats prèviament (calibració de càmeres, estimació de la matriu fonamental, i estimació del moviment) sense els quals no s'hauria pogut plantejar aquest sistema. Finalment es presenten els mapes en diverses trajectòries realitzades pel robot GRILL en el laboratori. Les principals contribucions d'aquest treball són: ·Un estat de l'art sobre mètodes de calibració de càmeres. El mètodes són comparats tan des del punt de vista del model de càmera utilitzat com de la precisió dels mètodes. ·Un estudi dels mètodes d'estimació de la matriu fonamental. Totes les tècniques estudiades són classificades i descrites des d'un punt de vista algorísmic. ·Un recull de les tècniques d'estimació del moviment d'una càmera centrat en el mètodes basat en la geometria epipolar diferencial. Aquestes tècniques han estat adaptades per tal d'estimar el moviment d'un robot mòbil. ·Una aplicació de robòtica mòbil per tal de construir un mapa dinàmic de l'entorn i localitzar-se per mitja d'un sistema estereoscòpic. L'aplicació presentada es descriu tant des del punt de vista del maquinari com del programari que s'ha dissenyat i implementat.