Introspection on control-grounded capabilities. An agent inspired approach for control

Introspecció sobre la dinàmica dels agents té un important impacte en decisions individuals i cooperatives en entorns multi-agent. Introspecció, una habilitat cognitiva provinent de la metàfora "agent", permet que els agents siguin conscients de les seves capacitats per a realitzar correctament les tasques. Aquesta introspecció, principalment sobre capacitats relacionades amb la dinàmica, proporciona als agents un raonament adequat per a assolir compromisos segurs en sistemes cooperatius. Per a tal fi, les capacitats garanteixen una representació adequada i explícita de tal dinàmica. Aquest enfocament canvia i millora la manera com els agents poden coordinar-se per a portar a terme tasques i com gestionar les seves interaccions i compromisos en entorns cooperatius. L'enfocament s'ha comprovat en escenaris on la coordinació és important, beneficiosa i necessària. Els resultats i les conclusions són presentats ressaltant els avantatges de la introspecció en la millora del rendiment dels sistemes multi-agent en tasques coordinades i assignació de tasques.

Development of a decision support system for the integrated control of membrane bioreactors

The work presented in this PhD thesis includes various partial studies aimed at developing a decision support system for membrane bioreactor integrated control. The decision support systems (DSS) have as a main goal to facilitate the operation of complex processes due to the multiple variables that are processed. For this reason, the research used has focused on aspects related to nutrient removal, and on the development of indicators or sensors capable of facilitating, automating and controlling the filtration process in an integrated way with the biological processes that taking place. Work has also been done on the design, development, implementation and validation of tools based on the knowledge made available by the automatic control and the supervision of the MBRs

Local model predictive control for navigation of a wheeled mobile robot using monocular information

Aquesta tesi està inspirada en els agents naturals per tal de planificar de manera dinàmica la navegació d'un robot diferencial de dues rodes. Les dades dels sistemes de percepció són integrades dins una graella d'ocupació de l'entorn local del robot. La planificació de les trajectòries es fa considerant la configuració desitjada del robot, així com els vértexs més significatius dels obstacles més propers. En el seguiment de les trajectòries s'utilitzen tècniques locals de control predictiu basades en el model, amb horitzons de predicció inferiors a un segon. La metodologia emprada és validada mitjançant nombrosos experiments.

Disseny d'agents físics: inclusió de capacitats específiques per a l'avaluació de l'eficiència d'accions

L'experiència de l'autor en la temàtica d'agents intel·ligents i la seva aplicació als robots que emulen el joc de futbol han donat el bagatge suficient per poder encetar i proposar la temàtica plantejada en aquesta tesi: com fer que un complicat robot pugui treure el màxim suc de l'autoconeixement de l'estructura de control inclosa al seu propi cos físic, i així poder cooperar millor amb d'altres agents per optimitzar el rendiment a l'hora de resoldre problemes de cooperació. Per resoldre aquesta qüestió es proposa incorporar la dinàmica del cos físic en les decisions cooperatives dels agents físics unificant els móns de l'automàtica, la robòtica i la intel·ligència artificial a través de la noció de capacitat: la capacitat vista com a entitat on els enginyers de control dipositen el seu coneixement, i a la vegada la capacitat vista com la utilitat on un agent hi diposita el seu autoconeixement del seu cos físic que ha obtingut per introspecció. En aquesta tesi es presenta l'arquitectura DPAA que s'organitza seguint una jerarquia vertical en tres nivells d'abstracció o mòduls control, supervisor i agent, els quals presenten una estructura interna homogènia que facilita les tasques de disseny de l'agent. Aquests mòduls disposen d'un conjunt específic de capacitats que els permeten avaluar com seran les accions que s'executaran en un futur. En concret, al mòdul de control (baix nivell d'abstracció) les capacitats consisteixen en paràmetres que descriuen el comportament dinàmic i estàtic que resulta d'executar un controlador determinat, és a dir, encapsulen el coneixement de l'enginyer de control. Així, a través dels mecanismes de comunicació entre mòduls aquest coneixement pot anar introduint-se als mecanismes de decisió dels mòduls superiors (supervisor i agent) de forma que quan els paràmetres dinàmics i estàtics indiquin que pot haver-hi problemes a baix nivell, els mòduls superiors es poden responsabilitzar d'inhibir o no l'execució d'algunes accions. Aquest procés top-down intern d'avaluació de la viabilitat d'executar una acció determinada s'anomena procés d'introspecció. Es presenten diversos exemples per tal d'il·lustrar com es pot dissenyar un agent físic amb dinàmica pròpia utilitzant l'arquitectura DPAA com a referent. En concret, es mostra tot el procés a seguir per dissenyar un sistema real format per dos robots en formació de comboi, i es mostra com es pot resoldre el problema de la col·lisió utilitzant les capacitats a partir de les especificacions de disseny de l'arquitectura DPAA. Al cinquè capítol s'hi exposa el procés d'anàlisi i disseny en un domini més complex: un grup de robots que emulen el joc del futbol. Els resultats que s'hi mostren fan referència a l'avaluació de la validesa de l'arquitectura per resoldre el problema de la passada de la pilota. S'hi mostren diversos resultats on es veu que és possible avaluar si una passada de pilota és viable o no. Encara que aquesta possibilitat ja ha estat demostrada en altres treballs, l'aportació d'aquesta tesi està en el fet que és possible avaluar la viabilitat a partir de l'encapsulament de la dinàmica en unes capacitats específiques, és a dir, és possible saber quines seran les característiques de la passada: el temps del xut, la precisió o inclòs la geometria del moviment del robot xutador. Els resultats mostren que la negociació de les condicions de la passada de la pilota és possible a partir de capacitats atòmiques, les quals inclouen informació sobre les característiques de la dinàmica dels controladors. La complexitat del domini proposat fa difícil comparar els resultats amb els altres treballs. Cal tenir present que els resultats mostrats s'han obtingut utilitzant un simulador fet a mida que incorpora les dinàmiques dels motors dels robots i de la pilota. En aquest sentit cal comentar que no existeixen treballs publicats sobre el problema de la passada en què es tingui en compte la dinàmica dels robots. El present treball permet assegurar que la inclusió de paràmetres dinàmics en el conjunt de les capacitats de l'agent físic permet obtenir un millor comportament col·lectiu dels robots, i que aquesta millora es deu al fet que en les etapes de decisió els agents utilitzen informació relativa a la viabilitat sobre les seves accions: aquesta viabilitat es pot calcular a partir del comportament dinàmic dels controladors. De fet, la definició de capacitats a partir de paràmetres dinàmics permet treballar fàcilment amb sistemes autònoms heterogenis: l'agent físic pot ser conscient de les seves capacitats d'actuació a través de mecanismes interns d'introspecció, i això permet que pugui prendre compromisos amb altres agents físics.

Quantified real constraint solving using modal intervals with applications to control

Les restriccions reals quantificades (QRC) formen un formalisme matemàtic utilitzat per modelar un gran nombre de problemes físics dins els quals intervenen sistemes d'equacions no-lineals sobre variables reals, algunes de les quals podent ésser quantificades. Els QRCs apareixen en nombrosos contextos, com l'Enginyeria de Control o la Biologia. La resolució de QRCs és un domini de recerca molt actiu dins el qual es proposen dos enfocaments diferents: l'eliminació simbòlica de quantificadors i els mètodes aproximatius. Tot i això, la resolució de problemes de grans dimensions i del cas general, resten encara problemes oberts. Aquesta tesi proposa una nova metodologia aproximativa basada en l'Anàlisi Intervalar Modal, una teoria matemàtica que permet resoldre problemes en els quals intervenen quantificadors lògics sobre variables reals. Finalment, dues aplicacions a l'Enginyeria de Control són presentades. La primera fa referència al problema de detecció de fallades i la segona consisteix en un controlador per a un vaixell a vela.

Representació qualitativa asíncrona de senyals per a la supervisió de sistemes dinàmics

L'objectiu general d'aquest treball és trobar i mostrar una eina que permeti obtenir una representació dels senyals procedents de sistemes dinàmics adequada a les necessitats dels sistemes de Supervisió Experta de processos. Aquest objectiu general es pot subdividir en diverses parts, que són tractades en els diferents capítols que composen el treball i que es poden resumir en els següents punts: En primer lloc, cal conèixer les necessitats dels sistemes de Supervisió: La gran quantitat de dades que provenen dels processos fa necessari el tractament d'aquestes dades per obtenir-ne d'altres, més elaborades, amb un nivell més elevat de representació. La utilització de raonament qualitatiu, pròpia dels éssers humans, comporta la necessitat de representar simbòlicament els senyals, de traduir les dades numèriques en símbols. La Supervisió de sistemes dinàmics comporta que el temps sigui una variable fonamental, la asincronia dels esdeveniments significatius per a la Supervisió fa que les representacions més adequades i útils dels senyals siguin asíncrones. Finalment,l'ús dels coneixements experimentals en la Supervisió dels processos comporta que les representacions més naturals siguin les més útils. Aquestes necessitats fan de la representació dels senyals mitjançant episodis l'eina amb més possibilitats per assolir els objectius que es volen assolir. Per això, es presenta un formalisme que permet descriure i incloure-hi la formalització i les diferents aproximacions a aquest tipus de representació ja existents i, al mateix temps, augmentar-ne la significació a través de característiques dels senyals que no es tenen en compte en les aproximacions ja existents. El següent pas és aprofitar el nou formalisme per obtenir una nova representació amb un grau més gran de significació, cosa que s'aconsegueix representant explícitament les discontinuïtats i els períodes estacionaris o d'estabilitat, molt significatius en Supervisió de processos. Un problema sempre present en el tractament de senyals és el soroll que els afecta. Per aquest motiu es presenta un mètode que permet filtrar el soroll de manera que les representacions resultants quedin afectades el mínim possible per aquest tractament. Finalment, es presenta l'aplicació en línia de les eines descrites. La representació en línia dels senyals comporta el tractament de la incertesa inherent al coneixement parcial del senyal (un episodi no pot ser determinat i caracteritzat completament fins que no s'acaba). L'obtenció de resultats amb determinats graus de certesa és perfectament coherent amb la seva utilització posterior mitjançant Sistemes Experts o altres eines de la IA. Totes les aportacions del treball vénen acompanyades d'exemples i/o aplicacions que permeten observar-ne la utilitat i les limitacions.

Results of applying sensor fusion to a control system using optic flow

The results from applying a sensor fusion process to an adaptive controller used to balance all inverted pendulum axe presented. The goal of the sensor fusion process was to replace some of the four mechanical measurements, which are known to be sufficient inputs for a linear state feedback controller to balance the system, with optic flow variables. Results from research into the psychology of the sense of balance in humans were the motivation for the investigation of this new type of controller input. The simulated model of the inverted pendulum and the virtual reality environments used to provide the optical input are described. The successful introduction of optical information is found to require the preservation of at least two of the traditional input types and entail increased training till-le for the adaptive controller and reduced performance (measured as the time the pendulum remains upright)

Investigation into the performance of an algorithm for deriving concise descriptions of optic flow fields for real-time control

This paper describes a region-based algorithm for deriving a concise description of a first order optical flow field. The algorithm described achieves performance improvements over existing algorithms without compromising the accuracy of the flow field values calculated. These improvements are brought about by not computing the entire flow field between two consecutive images, but by considering only the flow vectors of a selected subset of the images. The algorithm is presented in the context of a project to balance a bipedal robot using visual information.

Neural network control of a simple mobile robot

In recent years researchers in the Department of Cybernetics have been developing simple mobile robots capable of exploring their environment on the basis of the information obtained from a few simple sensors. These robots are used as the test bed for exploring various behaviours of single and multiple organisms: the work is inspired by considerations of natural systems. In this paper we concentrate on that part of the work which involves neural networks and related techniques. These neural networks are used both to process the sensor information and to develop the strategy used to control the robot. Here the robots, their sensors, and the neural networks used and all described. 1.

Robots can't really be intelligent can they?

The whole concept of just what is and what is not, intelligence is a vitally important one. As humans interact more with machines, so the similarities and differences between human and machine intelligence need to be looked at in a sensible, scientific way. This paper considers human and machine intelligence and links them closely to physical characteristics, as exhibited by robots. Potential interfaces between humans and machines are also considered, as is the state of the art in direct physical links between humans and machines.

Path planning of robots in noisy workspaces using learning automata

The problem of a manipulator operating in a noisy workspace and required to move from an initial fixed position P0 to a final position Pf is considered. However, Pf is corrupted by noise, giving rise to Pˆf, which may be obtained by sensors. The use of learning automata is proposed to tackle this problem. An automaton is placed at each joint of the manipulator which moves according to the action chosen by the automaton (forward, backward, stationary) at each instant. The simultaneous reward or penalty of the automata enables avoiding any inverse kinematics computations that would be necessary if the distance of each joint from the final position had to be calculated. Three variable-structure learning algorithms are used, i.e., the discretized linear reward-penalty (DLR-P, the linear reward-penalty (LR-P ) and a nonlinear scheme. Each algorithm is separately tested with two (forward, backward) and three forward, backward, stationary) actions.

From saccades to smooth pursuit: real-time gaze control using motion feedback

The authors present an active vision system which performs a surveillance task in everyday dynamic scenes. The system is based around simple, rapid motion processors and a control strategy which uses both position and velocity information. The surveillance task is defined in terms of two separate behavioral subsystems, saccade and smooth pursuit, which are demonstrated individually on the system. It is shown how these and other elementary responses to 2D motion can be built up into behavior sequences, and how judicious close cooperation between vision and control results in smooth transitions between the behaviors. These ideas are demonstrated by an implementation of a saccade to smooth pursuit surveillance system on a high-performance robotic hand/eye platform.

Autonomous mobile robots designing for the medical trash collector task

This paper describes the UNESP robotic team in the medical trash collector task, proposed on the 5 rd IEEE Latin American Robots Competition in the LEGO category. We present our understanding of the task and discuss the proposed solution, focusing on the mechanical and computational issues of the robots. The mechanics is based on rigid body capability of transforming rotational into curvilinear movement. With respect to the computational control, the system is modeled as a reactive system with sequential transition of behaviors. A state-machine is proposed to allow this transition, and the synchronization of robotic states is guaranteed by the communication system. The proposed approach has shown itself capable of dealing with the high difficulty degree of this cooperative task. ©2006 IEEE.

Networked control system for the guidance of a four-wheel steering agricultural robotic platform

A current trend in the agricultural area is the development of mobile robots and autonomous vehicles for precision agriculture (PA). One of the major challenges in the design of these robots is the development of the electronic architecture for the control of the devices. In a joint project among research institutions and a private company in Brazil a multifunctional robotic platform for information acquisition in PA is being designed. This platform has as main characteristics four-wheel propulsion and independent steering, adjustable width, span of 1,80m in height, diesel engine, hydraulic system, and a CAN-based networked control system (NCS). This paper presents a NCS solution for the platform guidance by the four-wheel hydraulic steering distributed control. The control strategy, centered on the robot manipulators control theory, is based on the difference between the desired and actual position and considering the angular speed of the wheels. The results demonstrate that the NCS was simple and efficient, providing suitable steering performance for the platform guidance. Even though the simplicity of the NCS solution developed, it also overcame some verified control challenges in the robot guidance system design such as the hydraulic system delay, nonlinearities in the steering actuators, and inertia in the steering system due the friction of different terrains. Copyright © 2012 Eduardo Pacincia Godoy et al.

Use of myoelectric signals to command mobile entertainment robot by disabled children: Design and control architecture

Severely disabled children have little chance of environmental and social exploration and discovery. This lack of interaction and independency may lead to an idea that they are unable to do anything by themselves. In an attempt to help children in this situation, educational robotics can offer and aid, once it can provide them a certain degree of independency in the exploration of environment. The system developed in this work allows the child to transmit the commands to a robot through myoelectric and movement sensors. The sensors are placed on the child's body so they can obtain information from the body inclination and muscle contraction, thus allowing commanding, through a wireless communication, the mobile entertainment robot to carry out tasks such as play with objects and draw. In this paper, the details of the robot design and control architecture are presented and discussed. With this system, disabled children get a better cognitive development and social interaction, balancing in a certain way, the negative effects of their disabilities. © 2012 IEEE.