Heterogeneous Multi-Robot Cooperation

This report addresses the problem of achieving cooperation within small- to medium- sized teams of heterogeneous mobile robots. I describe a software architecture I have developed, called ALLIANCE, that facilitates robust, fault tolerant, reliable, and adaptive cooperative control. In addition, an extended version of ALLIANCE, called L-ALLIANCE, is described, which incorporates a dynamic parameter update mechanism that allows teams of mobile robots to improve the efficiency of their mission performance through learning. A number of experimental results of implementing these architectures on both physical and simulated mobile robot teams are described. In addition, this report presents the results of studies of a number of issues in mobile robot cooperation, including fault tolerant cooperative control, adaptive action selection, distributed control, robot awareness of team member actions, improving efficiency through learning, inter-robot communication, action recognition, and local versus global control.

Safe Distributed Coordination of Heterogeneous Robots through Dynamic Simple Temporal Networks

Research on autonomous intelligent systems has focused on how robots can robustly carry out missions in uncertain and harsh environments with very little or no human intervention. Robotic execution languages such as RAPs, ESL, and TDL improve robustness by managing functionally redundant procedures for achieving goals. The model-based programming approach extends this by guaranteeing correctness of execution through pre-planning of non-deterministic timed threads of activities. Executing model-based programs effectively on distributed autonomous platforms requires distributing this pre-planning process. This thesis presents a distributed planner for modelbased programs whose planning and execution is distributed among agents with widely varying levels of processor power and memory resources. We make two key contributions. First, we reformulate a model-based program, which describes cooperative activities, into a hierarchical dynamic simple temporal network. This enables efficient distributed coordination of robots and supports deployment on heterogeneous robots. Second, we introduce a distributed temporal planner, called DTP, which solves hierarchical dynamic simple temporal networks with the assistance of the distributed Bellman-Ford shortest path algorithm. The implementation of DTP has been demonstrated successfully on a wide range of randomly generated examples and on a pursuer-evader challenge problem in simulation.

Context Interchange as a Scalable Solution to Interoperating Amongst Heterogeneous Dynamic Services

Many online services access a large number of autonomous data sources and at the same time need to meet different user requirements. It is essential for these services to achieve semantic interoperability among these information exchange entities. In the presence of an increasing number of proprietary business processes, heterogeneous data standards, and diverse user requirements, it is critical that the services are implemented using adaptable, extensible, and scalable technology. The COntext INterchange (COIN) approach, inspired by similar goals of the Semantic Web, provides a robust solution. In this paper, we describe how COIN can be used to implement dynamic online services where semantic differences are reconciled on the fly. We show that COIN is flexible and scalable by comparing it with several conventional approaches. With a given ontology, the number of conversions in COIN is quadratic to the semantic aspect that has the largest number of distinctions. These semantic aspects are modeled as modifiers in a conceptual ontology; in most cases the number of conversions is linear with the number of modifiers, which is significantly smaller than traditional hard-wiring middleware approach where the number of conversion programs is quadratic to the number of sources and data receivers. In the example scenario in the paper, the COIN approach needs only 5 conversions to be defined while traditional approaches require 20,000 to 100 million. COIN achieves this scalability by automatically composing all the comprehensive conversions from a small number of declaratively defined sub-conversions.

Learning and adaptation in physical heterogeneous teams of robots

In this paper we present a novel approach to assigning roles to robots in a team of physical heterogeneous robots. Its members compete for these roles and get rewards for them. The rewards are used to determine each agent’s preferences and which agents are better adapted to the environment. These aspects are included in the decision making process. Agent interactions are modelled using the concept of an ecosystem in which each robot is a species, resulting in emergent behaviour of the whole set of agents. One of the most important features of this approach is its high adaptability. Unlike some other learning techniques, this approach does not need to start a whole exploitation process when the environment changes. All this is exemplified by means of experiments run on a simulator. In addition, the algorithm developed was applied as applied to several teams of robots in order to analyse the impact of heterogeneity in these systems

Resource dimensioning aspect of heterogeneous traffic with different service requirements: Integration versus segregation

In this paper, we consider the ATM networks in which the virtual path concept is implemented. The question of how to multiplex two or more diverse traffic classes while providing different quality of service requirements is a very complicated open problem. Two distinct options are available: integration and segregation. In an integration approach all the traffic from different connections are multiplexed onto one VP. This implies that the most restrictive QOS requirements must be applied to all services. Therefore, link utilization will be decreased because unnecessarily stringent QOS is provided to all connections. With the segregation approach the problem can be much simplified if different types of traffic are separated by assigning a VP with dedicated resources (buffers and links). Therefore, resources may not be efficiently utilized because no sharing of bandwidth can take place across the VP. The probability that the bandwidth required by the accepted connections exceeds the capacity of the link is evaluated with the probability of congestion (PC). Since the PC can be expressed as the CLP, we shall simply carry out bandwidth allocation using the PC. We first focus on the influence of some parameters (CLP, bit rate and burstiness) on the capacity required by a VP supporting a single traffic class using the new convolution approach. Numerical results are presented both to compare the required capacity and to observe which conditions under each approach are preferred

Talk the talk: Learner-generated podcasts as catalysts for knowledge creation

Instead of using the technology for the mere recording and dissemination of lectures and other instructor-centred information, the project reported on in this article focused on enabling students to create their own podcasts for distribution to their peers. The article describes how engaging in the podcasting exercise promoted collaborative knowledge building among the student-producers, as evidenced through focus-group interviewing and an analysis of the products of their shared dialogue and reflection.

Large heterogeneous classes. 'Clases heterog??neas'

El art??culo es un resumen de la propia autora sobre la conferencia realizada en la sede del CDL. Contiene una presentaci??n en catal??n, realizada por Aina Carreras

Bioinspired iron and manganese catalysts for the effective and selective oxidation of alkanes and alkenes

La gran eficiència, selectivitat i les condicions suaus exhibides per les reaccions que tenen lloc al centre actiu de les metal·looxigenases són la font d'inspiració per la present dissertació. Amb l'objectiu de dissenyar catalitzadors d'oxidació eficients hem fet ús de dues estratègies: la primera consisteix en el disseny de complexos amb baix pes molecular inspirats en aspectes estructurals de la primera esfera de coordinació del centre metàl·lic d'enzims de ferro i de manganès. Aquests complexos s'han estudiat com a catalitzadors en l'oxidació selectiva d'alcans i d'alquens fent servir oxidants "verds" com ara l'H2O2. La segona estratègia està basada en l'ús de la química supramolecular per tal de desenvolupar estructures moleculars auto-acoblades amb la forma i les propietats químiques desitjades. Concretament, la construcció de nanocontenidors amb un catalitzador d'oxidació incrustat a la seva estructura ens permetria dur a terme reaccions més selectives, tal com passa en les reaccions catalitzades per enzims.

Nous complexos mono- i dinuclears de ruteni amb lligands polipiridílics i de tipus fosfina. Síntesi, caracterització i aplicacions catalítiques

La Tesi descriu de manera completa una sèrie de complexos de ruteni amb lligands polipiridílics i lligands auxiliars de tipus fosfina, dmso, nitril o aquo. Es descriuen estudis d'isomerització (cis/trans o coordinació meridional/facial) en complexos mononuclears, a partir de tècniques espectroscòpiques. Els resultats experimentals es corroboren a partir de càlculs DFT. S'han fet també estudis d'activitat catalítica en transferència d'hidrogen per als complexos Ru-fosfina. S'han sintetitzat també complexos dinuclears de ruteni amb el lligand tetradentat Hbpp i s'ha avaluat llur activitat en la catàlisi d'oxidació d'aigua, determinant la importància de la correcta orientació relativa dels centres actius Ru=O. L'heterogeneïtzació dels complexos sobre suports conductors permet avaluar llur activitat en fase heterogènia, millorant respecte el corresponent procés en dissolució. La co-polimerització dels catalitzadors amb espècies de tipus metalocarborà, amb major dilució del catalitzador i minimització de la sobreoxidació, millora notablement els resultats, permetent diverses reutilitzacions.

Noves aproximacions a la síntesi i caracterització de poliglicols al·lílics, polihidrosiloxans i surfactants copolimèrics. Avaluació d'aquests surfactants en formulacions de poliuretà

Els polímers són una sèrie de compostos que troben un ampli ventall d'aplicacions en la indústria actual. Un exemple són les espumes de poliuretà, estructures de tipus cel·lular obtingudes mitjançant la reacció química entre compostos de tipus isocianat i compostos de tipus poliol (polièters amb diferent nombre de grups hidroxil). És imprescindible l'ús d'additius d'estructura tensioactiva (surfactants de silicona) per estabilitzar el procés d'espumació i per proporcionar una estructura cel·lular ordenada i homogènia en mida i distribució. La síntesis i caracterització de les molècules precursores (polihidrosiloxans i polièters al·lílics), l'estudi de la reacció d'hidrosililació com a via d'obtenció dels diferents surfactants per reacció d'addició entre els polihidrosiloxans i els polièters al·lílics i la caracterització i avaluació en formulacions comercials de poliuretà dels surfactants sintetitzats han constituït els objectius del present treball. MEMÒRIA La Tesi Doctoral ha estat presentada seguint el següent esquema: CAPÍTOL I. INTRODUCCIÓ A LA QUÍMICA DEL POLIURETÀ. Es presenten els principis de la química del poliuretà, fent esment dels recents avenços en la síntesis i caracterització d'aquests compostos polimèrics, així com un apartat concret centrat en els surfactants de silicona. Es presenten les estructures habituals d'aquests compostos comercials i es detallen les reaccions de síntesi i les característiques físiques que aquests compostos proporcionen a les espumes de poliuretà. CAPÍTOL II. OBJECTIUS. 1.- Síntesis y caracterització d'una àmplia gamma de poliglicols al·lílics i de polihidrosiloxans amb grups hidrur reactius, ambdós precursors d'estructures polimèriques de tipus surfactant. 2.- Estudi de la reacció d'hidrosililació com a via de formació d'enllaços Si-C no hidrolitzables, mitjançant la reacció d'addició entre els substrats al·lílics insaturats i els polisiloxans amb grups hidrur reactius. 3.- Caracterització de les estructures polimèriques de tipus surfactant sintetitzades i avaluació d'aquestes en formulacions de poliuretà, a fi de relacionar l'estructura química d'aquests oligómers amb els efectes físics que originen en l'espuma de poliuretà. CAPÍTOL III. SÍNTESI I CARACTERITZACIÓ DE SUBSTRATS AL·LÍLICS INSATURATS DE TIPUS POLIGLICOL. S'han caracteritzat per HPLC-UV una sèrie de polietilenglicols comercials. S'ha estudiat la reacció de derivatització al·lílica sobre els grups hidroxil dels polièters comercials (PEG, PPG i copolímers PEG-PPG) i s'han caracteritzat exhaustivament els productes sintetitzats (1H,13C-RMN, GC, GC-MS, FTIR, ESI-MS, HPLC-UV). S'ha iniciat un estudi de polimerització aniònica sobre nous epòxids amb un punt de diversitat molecular, sintetitzant-se i caracteritzant-se els corresponents nous polièters obtinguts. CAPÍTOL IV. SÍNTESI I CARACTERITZACIÓ DE POLIHIDROSILOXANS REACTIUS. S'estudia la síntesis de polihidrosiloxans amb grups hidrur reactius, mitjançant la reacció de polimerització aniònica d'obertura d'anell ("AROP, anionic ring opening polimerization") i mitjançant la reacció de polimerització per equilibració catiònica. Es presenta una caracterització exhaustiva dels productes sintetitzats i es descriu la naturalesa de la microestructura polimèrica a partir de la distribució bivariant dels copolímers PDMS-co-PHMS (poli(dimetilsiloxà)-co-poli(hidrometilsiloxà)). CAPÍTOL V. ESTUDI SISTEMÀTIC DE LA REACCIÓ D'HIDROSILILACIÓ. S'ha estudiat la reacció d'hidrosililació amb la finalitat de sintetitzar estructures copolimèriques poliglicol-polisiloxà a partir de la reacció de polisiloxans hidrur reactius i polièters al·lílics. S'han provat diferents catalitzadors (Pt/C 5%, cat. de Speier i cat. de Karstedt), s'han sintetitzat diferents estructures tensoactives (lineals i ramificades) i s'ha modelitzat les diferents reaccions secundàries observades, per presentar un estudi mecanístic de la reacció d'hidrosililació aplicada a la síntesis de molècules d'elevat PM a partir de la reacció entre substrats al·lílics insaturats i polihidrosiloxans. CAPÍTOL VI. AVALUACIÓ DELS SURFACTANTS EN FORMULACIONS DE POLIURETÀ. S'ha estudiat la idoneïtat dels surfactants de silicona sintetitzats en diferents formulacions de poliuretà comercials. S'ha relacionat el comportament físic d'aquests surfactants en les espumes de poliuretà amb la seva estructura química a partir de l'anàlisi per microscòpia electrònica de rastreig. CAPÍTOL VII. CONCLUSIONS. S'han esposat les conclusions extretes de cada capítol.

Molecular genetic differentiation in earthworms inhabiting a heterogeneous Pb-polluted landscape

A Pb-mine site situated on acidic soil, but comprising of Ca-enriched islands around derelict buildings was used to study the spatial pattern of genetic diversity in Lumbricus rubellus. Two distinct genetic lineages ('A' and 'B'), differentiated at both the mitochondrial (mtDNA COII) and nuclear level (AFLPs) were revealed with a mean inter-lineage mtDNA sequence divergence of approximately 13%, indicative of a cryptic species complex. AFLP analysis indicates that lineage A individuals within one central 'ecological island' site are uniquely clustered, with little genetic overlap with lineage A individuals at the two peripheral sites. FTIR microspectroscopy of Pb-sequestering chloragocytes revealed different phosphate profiles in residents of adjacent acidic and calcareous islands. Bioinformatics found over-representation of Ca pathway genes in ESTPb libraries. Subsequent sequencing of a Ca-transport gene, SERCA, revealed mutations in the protein's cytosolic domain. We recommend the mandatory genotyping of all individuals prior to field-based ecotoxicological assays, particularly those using discriminating genomic technologies.

Reactive uptake coefficients for heterogeneous reaction of N2O5 with submicron aerosols of NaCl and natural sea salt

The kinetics of uptake of gaseous N2O5 on submicron aerosols containing NaCl and natural sea salt have been investigated in a flow reactor as a function of relative humidity (RH) in the range 30-80% at 295±2K and a total pressure of 1bar. The measured uptake coefficients, γ, were larger on the aerosols containing sea salt compared to those of pure NaCl, and in both cases increased with increasing RH. These observations are explained in terms of the variation in the size of the salt droplets, which leads to a limitation in the uptake rate into small particles. After correction for this effect the uptake coefficients are independent of relative humidity, and agree with those measured previously on larger droplets. A value of γ=0.025 is recommended for the reactive uptake coefficient for N2O5 on deliquesced sea salt droplets at 298K and RH>40%.