A Multi-agent Architecture with Distributed Coordination for an Autonomous Robot

Aquest treball proposa una nova arquitectura de control amb coordinació distribuïda per a un robot mòbil (ARMADiCo). La metodologia de coordinació distribuïda consisteix en dos passos: el primer determina quin és l'agent que guanya el recurs basat en el càlcul privat de la utilitat i el segon, com es fa el canvi del recurs per evitar comportaments abruptes del robot. Aquesta arquitectura ha estat concebuda per facilitar la introducció de nous components hardware i software, definint un patró de disseny d'agents que captura les característiques comunes dels agents. Aquest patró ha portat al desenvolupament d'una arquitectura modular dins l'agent que permet la separació dels diferents mètodes utilitzats per aconseguir els objectius, la col·laboració, la competició i la coordinació de recursos. ARMADiCo s'ha provat en un robot Pioneer 2DX de MobileRobots Inc.. S'han fet diversos experiments i els resultats han demostrat que s'han aconseguit les característiques proposades per l'arquitectura.

A proposal of a behavior-based control architecture with reinforcement learning for an autonomous underwater robot

Aquesta tesi proposa l'ús d'un seguit de tècniques pel control a alt nivell d'un robot autònom i també per l'aprenentatge automàtic de comportaments. L'objectiu principal de la tesis fou el de dotar d'intel·ligència als robots autònoms que han d'acomplir unes missions determinades en entorns desconeguts i no estructurats. Una de les premisses tingudes en compte en tots els passos d'aquesta tesis va ser la selecció d'aquelles tècniques que poguessin ésser aplicades en temps real, i demostrar-ne el seu funcionament amb experiments reals. El camp d'aplicació de tots els experiments es la robòtica submarina. En una primera part, la tesis es centra en el disseny d'una arquitectura de control que ha de permetre l'assoliment d'una missió prèviament definida. En particular, la tesis proposa l'ús de les arquitectures de control basades en comportaments per a l'assoliment de cada una de les tasques que composen la totalitat de la missió. Una arquitectura d'aquest tipus està formada per un conjunt independent de comportaments, els quals representen diferents intencions del robot (ex.: "anar a una posició", "evitar obstacles",...). Es presenta una recerca bibliogràfica sobre aquest camp i alhora es mostren els resultats d'aplicar quatre de les arquitectures basades en comportaments més representatives a una tasca concreta. De l'anàlisi dels resultats se'n deriva que un dels factors que més influeixen en el rendiment d'aquestes arquitectures, és la metodologia emprada per coordinar les respostes dels comportaments. Per una banda, la coordinació competitiva és aquella en que només un dels comportaments controla el robot. Per altra banda, en la coordinació cooperativa el control del robot és realitza a partir d'una fusió de totes les respostes dels comportaments actius. La tesis, proposa un esquema híbrid d'arquitectura capaç de beneficiar-se dels principals avantatges d'ambdues metodologies. En una segona part, la tesis proposa la utilització de l'aprenentatge per reforç per aprendre l'estructura interna dels comportaments. Aquest tipus d'aprenentatge és adequat per entorns desconeguts i el procés d'aprenentatge es realitza al mateix temps que el robot està explorant l'entorn. La tesis presenta també un estat de l'art d'aquest camp, en el que es detallen els principals problemes que apareixen en utilitzar els algoritmes d'aprenentatge per reforç en aplicacions reals, com la robòtica. El problema de la generalització és un dels que més influeix i consisteix en permetre l'ús de variables continues sense augmentar substancialment el temps de convergència. Després de descriure breument les principals metodologies per generalitzar, la tesis proposa l'ús d'una xarxa neural combinada amb l'algoritme d'aprenentatge per reforç Q_learning. Aquesta combinació proporciona una gran capacitat de generalització i una molt bona disposició per aprendre en tasques de robòtica amb exigències de temps real. No obstant, les xarxes neurals són aproximadors de funcions no-locals, el que significa que en treballar amb un conjunt de dades no homogeni es produeix una interferència: aprendre en un subconjunt de l'espai significa desaprendre en la resta de l'espai. El problema de la interferència afecta de manera directa en robòtica, ja que l'exploració de l'espai es realitza sempre localment. L'algoritme proposat en la tesi té en compte aquest problema i manté una base de dades representativa de totes les zones explorades. Així doncs, totes les mostres de la base de dades s'utilitzen per actualitzar la xarxa neural, i per tant, l'aprenentatge és homogeni. Finalment, la tesi presenta els resultats obtinguts amb la arquitectura de control basada en comportaments i l'algoritme d'aprenentatge per reforç. Els experiments es realitzen amb el robot URIS, desenvolupat a la Universitat de Girona, i el comportament après és el seguiment d'un objecte mitjançant visió per computador. La tesi detalla tots els dispositius desenvolupats pels experiments així com les característiques del propi robot submarí. Els resultats obtinguts demostren la idoneïtat de les propostes en permetre l'aprenentatge del comportament en temps real. En un segon apartat de resultats es demostra la capacitat de generalització de l'algoritme d'aprenentatge mitjançant el "benchmark" del "cotxe i la muntanya". Els resultats obtinguts en aquest problema milloren els resultats d'altres metodologies, demostrant la millor capacitat de generalització de les xarxes neurals.

VLSI architecture for motion estimation in underwater imaging

El treball desenvolupat en aquesta tesi aprofundeix i aporta solucions innovadores en el camp orientat a tractar el problema de la correspondència en imatges subaquàtiques. En aquests entorns, el que realment complica les tasques de processat és la falta de contorns ben definits per culpa d'imatges esborronades; un fet aquest que es deu fonamentalment a il·luminació deficient o a la manca d'uniformitat dels sistemes d'il·luminació artificials. Els objectius aconseguits en aquesta tesi es poden remarcar en dues grans direccions. Per millorar l'algorisme d'estimació de moviment es va proposar un nou mètode que introdueix paràmetres de textura per rebutjar falses correspondències entre parells d'imatges. Un seguit d'assaigs efectuats en imatges submarines reals han estat portats a terme per seleccionar les estratègies més adients. Amb la finalitat d'aconseguir resultats en temps real, es proposa una innovadora arquitectura VLSI per la implementació d'algunes parts de l'algorisme d'estimació de moviment amb alt cost computacional.

Research in Architecture: Looking Backward and Forward: Forty-Year Experience in Architectural Research at the Faculty of Architecture STU

The introduction of my contribution contains a brief information on the Faculty of Architecture of the Slovak University of Technology in Bratislava (FA STU) and the architectural research performed at this institution. Schemes and priorities of our research in architecture have changed several times since the very beginning in early 50’s. The most significant change occurred after “the velvet revolution” in 1989. Since 1990 there have been several sources to support research at universities. The significant part of my contribution is rooted in my own research experience since the time I had joined FA STU in 1975 as a young architect and researcher. The period of the 80’s is characterized by the first unintentional attempts to do “research by design” and my “scientific” achievements as by-products of my design work. Some of them resulted in the following issues: conception of mezzo-space, theory of the complex perception of architectural space and definition of basic principles of ecologically conscious architecture. Nowadays I continue my research by design within the application of so called solar envelope in urban scale with my students.

Architecture & Research: a possible structure

This article results from three conferences organized by the research project titled “Architectural research framework” developed by the research center Architectural Lab – LabART – of the Lusófona University, and also by my personal experiences and dialogs with other members of the EAAE research committee. Architectural research always existed, but only recently some major questions have emerged, by the time that Europe started the last universitary reform on the 80’s. Two aspects are crucial in understanding the problematic that we are referring to. On the one hand we verify that the architectural teaching should maintain the articulation and close relationship between the theoretical and practical aspects. On the other hand, there is a need to confer academic degrees, as the MsC and PhD’s in the Faculties of Architecture. Inevitably, discussions began about the scientificity of architecture (its grounding), the types of research, methodological models, as well as on the evaluation criteria and the quality of research, or the relevance of the results. We will try to approach some of these discussions, and by the end, establish a basic structure that allows us to obtain an open model for research in architecture.

Memory-based Embodied Cognition: a computational architecture

At its most fundamental, cognition as displayed by biological agents (such as humans) may be said to consist of the manipulation and utilisation of memory. Recent discussions in the field of cognitive robotics have emphasised the role of embodiment and the necessity of a value or motivation for autonomous behaviour. This work proposes a computational architecture – the Memory-Based Cognitive (MBC) architecture – based upon these considerations for the autonomous development of control of a simple mobile robot. This novel architecture will permit the exploration of theoretical issues in cognitive robotics and animal cognition. Furthermore, the biological inspiration of the architecture is anticipated to result in a mobile robot controller which displays adaptive behaviour in unknown environments.

Architecture for Living Neuronal Network Control of a mobile robot

The intelligent controlling mechanism of a typical mobile robot is usually a computer system. Research is however now ongoing in which biological neural networks are being cultured and trained to act as the brain of an interactive real world robot – thereby either completely replacing or operating in a cooperative fashion with a computer system. Studying such neural systems can give a distinct insight into biological neural structures and therefore such research has immediate medical implications. The principal aims of the present research are to assess the computational and learning capacity of dissociated cultured neuronal networks with a view to advancing network level processing of artificial neural networks. This will be approached by the creation of an artificial hybrid system (animat) involving closed loop control of a mobile robot by a dissociated culture of rat neurons. This paper details the components of the overall animat closed loop system architecture and reports on the evaluation of the results from preliminary real-life and simulated robot experiments.

A management architecture for active networks

In this paper we present an architecture for network and applications management, which is based on the Active Networks paradigm and shows the advantages of network programmability. The stimulus to develop this architecture arises from an actual need to manage a cluster of active nodes, where it is often required to redeploy network assets and modify nodes connectivity. In our architecture, a remote front-end of the managing entity allows the operator to design new network topologies, to check the status of the nodes and to configure them. Moreover, the proposed framework allows to explore an active network, to monitor the active applications, to query each node and to install programmable traps. In order to take advantage of the Active Networks technology, we introduce active SNMP-like MIBs and agents, which are dynamic and programmable. The programmable management agents make tracing distributed applications a feasible task. We propose a general framework that can inter-operate with any active execution environment. In this framework, both the manager and the monitor front-ends communicate with an active node (the Active Network Access Point) through the XML language. A gateway service performs the translation of the queries from XML to an active packet language and injects the code in the network. We demonstrate the implementation of an active network gateway for PLAN (Packet Language for Active Networks) in a forty active nodes testbed. Finally, we discuss an application of the active management architecture to detect the causes of network failures by tracing network events in time.

A double data rate (DDR) architecture for OFDM based wireless consumer devices

The creation of OFDM based Wireless Personal Area Networks (WPANs) has allowed the development of high bit-rate wireless communication devices suitable for streaming High Definition video between consumer products, as demonstrated in Wireless-USB and Wireless-HDMI. However, these devices need high frequency clock rates, particularly for the OFDM, FFT and symbol processing sections resulting in high silicon cost and high electrical power. The high clock rates make hardware prototyping difficult and verification is therefore very important but costly. Acknowledging that electrical power in wireless consumer devices is more critical than the number of implemented logic gates, this paper presents a Double Data Rate (DDR) architecture for implementation inside a OFDM baseband codec in order to reduce the high frequency clock rates by a complete factor of 2. The presented architecture has been implemented and tested for ECMA-368 (Wireless- USB context) resulting in a maximum clock rate of 264MHz instead of the expected 528MHz clock rate existing anywhere on the baseband codec die.

A double data rate (DDR) architecture for OFDM based wireless consumer devices

The creation of OFDM based Wireless Personal Area Networks (WPANs) has allowed high bit-rate wireless communication devices suitable for streaming High Definition video between consumer products as demonstrated in Wireless- USB. However, these devices need high clock rates, particularly for the OFDM sections resulting in high silicon cost and high electrical power. Acknowledging that electrical power in wireless consumer devices is more critical than the number of implemented logic gates, this paper presents a Double Data Rate (DDR) architecture to reduce the OFDM input and output clock rate by a factor of 2. The architecture has been implemented and tested for Wireless-USB (ECMA-368) resulting in a maximum clock of 264MHz instead of 528MHz existing anywhere on the die.