DDX : A distributed software architecture for robotic systems

The Dynamic Data eXchange (DDX) is our third generation platform for building distributed robot controllers. DDX allows a coalition of programs to share data at run-time through an efficient shared memory mechanism managed by a store. Further, stores on multiple machines can be linked by means of a global catalog and data is moved between the stores on an as needed basis by multi-casting. Heterogeneous computer systems are handled. We describe the architecture of DDX and the standard clients we have developed that let us rapidly build complex control systems with minimal coding.

Cross-entropy optimization for scaling factors of a fuzzy controller : a see-and-avoid approach for unmanned aerial systems

The Cross-Entropy (CE) is an efficient method for the estimation of rare-event probabilities and combinatorial optimization. This work presents a novel approach of the CE for optimization of a Soft-Computing controller. A Fuzzy controller was designed to command an unmanned aerial system (UAS) for avoiding collision task. The only sensor used to accomplish this task was a forward camera. The CE is used to reach a near-optimal controller by modifying the scaling factors of the controller inputs. The optimization was realized using the ROS-Gazebo simulation system. In order to evaluate the optimization a big amount of tests were carried out with a real quadcopter.

Developing Co-operating Legal Knowledge Based Systems

In attempting to build intelligent litigation support tools, we have moved beyond first generation, production rule legal expert systems. Our work supplements rule-based reasoning with case based reasoning and intelligent information retrieval. This research, specifies an approach to the case based retrieval problem which relies heavily on an extended object-oriented / rule-based system architecture that is supplemented with causal background information. Machine learning techniques and a distributed agent architecture are used to help simulate the reasoning process of lawyers. In this paper, we outline our implementation of the hybrid IKBALS II Rule Based Reasoning / Case Based Reasoning system. It makes extensive use of an automated case representation editor and background information.

Influence of dynamic operating conditions on the performance of metal hydride based solid sorption cooling systems

The performance of metal hydride based solid sorption cooling systems depends on the driving pressure differential, and the rate of hydrogen transfer between coupled metal hydride beds during cooling and regeneration processes. Conventionally, the mid-plateau pressure difference obtained from `static' equilibrium PCT data are used for the thermodynamic analysis. It is well known that the processes are `dynamic' because the pressure and temperature, and hence the concentration of the hydride beds, are continuously changing. Keeping this in mind, the pair of La0.9Ce0.1Ni5 - LaNi4.7Al0.3 metal hydrides suitable for solid sorption cooling systems were characterised using both static and dynamic methods. It was found that the PCT characteristics, and the resulting enthalpy (Delta H) and entropy (Delta S) values, were significantly different for static and dynamic modes of measurements. In the present study, the solid sorption metal hydride cooling system is analysed taking in to account the actual variation in the pressure difference (Delta P) and the dynamic enthalpy values. Compared to `static' property based analysis, significant decrease in the driving potentials and transferrable amounts of hydrogen, leading to decrease in cooling capacity by 57.8% and coefficient of performance by 31.9% are observed when dynamic PCT data at the flow rate of 80 ml/min are considered. Copyright 2014 (C) Hydrogen Energy Publications, LLC. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Formal methods for control synthesis in partially observed environments : application to autonomous robotic manipulation

Modern robots are increasingly expected to function in uncertain and dynamically challenging environments, often in proximity with humans. In addition, wide scale adoption of robots requires on-the-fly adaptability of software for diverse application. These requirements strongly suggest the need to adopt formal representations of high level goals and safety specifications, especially as temporal logic formulas. This approach allows for the use of formal verification techniques for controller synthesis that can give guarantees for safety and performance. Robots operating in unstructured environments also face limited sensing capability. Correctly inferring a robot's progress toward high level goal can be challenging.

This thesis develops new algorithms for synthesizing discrete controllers in partially known environments under specifications represented as linear temporal logic (LTL) formulas. It is inspired by recent developments in finite abstraction techniques for hybrid systems and motion planning problems. The robot and its environment is assumed to have a finite abstraction as a Partially Observable Markov Decision Process (POMDP), which is a powerful model class capable of representing a wide variety of problems. However, synthesizing controllers that satisfy LTL goals over POMDPs is a challenging problem which has received only limited attention.

This thesis proposes tractable, approximate algorithms for the control synthesis problem using Finite State Controllers (FSCs). The use of FSCs to control finite POMDPs allows for the closed system to be analyzed as finite global Markov chain. The thesis explicitly shows how transient and steady state behavior of the global Markov chains can be related to two different criteria with respect to satisfaction of LTL formulas. First, the maximization of the probability of LTL satisfaction is related to an optimization problem over a parametrization of the FSC. Analytic computation of gradients are derived which allows the use of first order optimization techniques.

The second criterion encourages rapid and frequent visits to a restricted set of states over infinite executions. It is formulated as a constrained optimization problem with a discounted long term reward objective by the novel utilization of a fundamental equation for Markov chains - the Poisson equation. A new constrained policy iteration technique is proposed to solve the resulting dynamic program, which also provides a way to escape local maxima.

The algorithms proposed in the thesis are applied to the task planning and execution challenges faced during the DARPA Autonomous Robotic Manipulation - Software challenge.

Aplicación de ROS: Sistema Operativo Robótico sobre Lego Mindstorms NXT

[ES]El objetivo de este Trabajo de Fin de Grado es estudiar el programa llamado ROS, un entorno para la programación de robots. Proporciona una serie de herramientas, librerías, drivers… que facilitan en gran medida la programación de sistemas robóticos. Para realizar este estudio se utilizará ROS para crear una aplicación para un robot LEGO Mindstorms NXT. Estos robots son pequeños y versátiles, y son adecuados para la investigación. La aplicación que se llevará a cabo será un seguidor de línea, un robot capaz de seguir una pista dibujada sobre una superficie de otro color. Para programar la aplicación, se utilizarán en la medida de lo posible las herramientas proporcionadas por ROS. De esta manera, se espera alcanzar una mayor comprensión de ROS y de su funcionamiento, con sus fortalezas y sus debilidades.

Automated cross-modal mapping in robotic eye/hand systems using plastic radial basis function networks

Q. Meng and M. H Lee, Automated cross-modal mapping in robotic eye/hand systems using plastic radial basis function networks, Connection Science, 19(1), pp 25-52, 2007.

Biologically inspired automatic construction of cross-modal mapping in robotic eye/hand systems

Q. Meng and M.H. Lee, 'Biologically inspired automatic construction of cross-modal mapping in robotic eye/hand systems', IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2006,) ,4742-49, Beijing, 2006.

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.

Methods for kinematic modeling of biological and robotic systems

The main objective is to develop methods that automatically generate kinematic models for the movements of biological and robotic systems. Two methods for the identification of the kinematics are presented. The first method requires the elimination of the displacement variables that cannot be measured while the second method attempts to estimate the changes in these variables. The methods were tested using a planar two-revolute-joint linkage. Results show that the model parameters obtained agree with the actual parameters to within 5%. Moreover, the methods were applied to model head and neck movements in the sagittal plane. The results indicate that these movements are well modeled by a two-revolute-joint system. A spatial three-revolute-joint model was also discussed and tested.

Distributed fuzzy logic for building management systems using local operating networks

This paper describes the development of an experimental distributed fuzzy control system for heating and ventilation (HVAC) systems within a building. Each local control loop is affected by a number of local variables, as well as information from neighboring controllers. By including this additional information it is hoped that a more equal allocation of resources can be achieved.

Modular non-computational-connectionist-hybrid neural network approach to robotic systems

Spiking neural networks are usually limited in their applications due to their complex mathematical models and the lack of intuitive learning algorithms. In this paper, a simpler, novel neural network derived from a leaky integrate and fire neuron model, the ‘cavalcade’ neuron, is presented. A simulation for the neural network has been developed and two basic learning algorithms implemented within the environment. These algorithms successfully learn some basic temporal and instantaneous problems. Inspiration for neural network structures from these experiments are then taken and applied to process sensor information so as to successfully control a mobile robot.

Haptic control of multi-axis robotic systems

Control of tele-operated remote robot’s is nothing new; the public was introduced to this 'new' field in 1986 when the Chernobyl cleanup began. Pictures of weird and wonderful robotic workers pouring concrete or moving rubble flooded the world. Integration of force feedback or 'haptics' to remote robot's is a new development and one that is likely to make a big difference in man-machine interaction. Development of haptic capable tele-operation schema is a challenge. Often platform specific software is developed for one off tasks. This research focussed on the development of an open software platform for haptic control of multiple remote robotic platforms. The software utilises efficient server/client architecture for low data latency, while efficiently performing required kinematic transforms and data manipulation in real time. A description of the algorithm, software interface and hardware is presented in this paper. Preliminary results are encouraging as haptic control has been shown to greatly enhances remote positioning tasks.