Modelado, control y optimización de un sistema multi-robot autónomo para transporte inteligente

Abstract

La robótica es el área de la ingeniería dedicada al diseño, construcción y control de máquinas capaces de resolver problemas a los humanos. Es una rama interdisciplinar que, aunando los conocimientos de diversas ciencias, ingenierías y tecnologías, busca imitar o extender las acciones y capacidades de las personas. Son incontables las labores en las que los robots demuestran un desempeño mayor que los humanos, como bien es consciente el sector industrial. Su velocidad, precisión y repetibilidad en tareas monótonas están un orden de magnitud por encima de las habilidades humanas. Sin embargo, la habilidad de establecer vínculos entre ellos, coordinarse e integrarse en su entorno de manera eficaz sigue siendo una tarea pendiente. Con esta finalidad, el presente trabajo expone los problemas diversos e interrelacionados entre sí que se deben abordar para conseguir aunar los esfuerzos de múltiples robots para conseguir un objetivo común. Estos retos comienzan con la percepción del entorno y la manera en la que se modela. Mediante dispositivos tipo lidar y el mapeado y localización simultáneos (SLAM) se consigue una descripción fiel del mundo que rodea al robot. Aun así, también se manifiesta en el trabajo las limitaciones que sufren estos dispositivos. La construcción de un mapa es la base sobre la que se asienta una navegación autónoma eficiente. Los algoritmos de navegación continúan estudiándose desde los inicios de la robótica móvil, sin embargo, cada uno de ellos ofrece un enfoque distinto que se adecua a cada caso. Por ello, se han llevado a cabo pruebas para comprobar cuales permiten desplazarse en un menor tiempo para su implementación en el robot. Una vez tiene la capacidad de navegar por sí mismo, el siguiente gran paso es otorgarle la habilidad de sortear obstáculos imprevistos. En el mundo real, y teniendo en mente la aplicación de estos robots en almacenes o invernaderos, estos podrán ser tanto estáticos como dinámicos. Aunando estos dos requerimientos, se ha demostrado que los algoritmos de navegación basados en bandas elásticas temporales ofrecen una gran velocidad y robustez en la navegación autónoma a la vez que muestran gran habilidad en el sorteo de obstáculos. Esto permite una navegación multi-agente en un mismo espacio físico, ya que se detectan mutuamente como impedimentos en su trayectoria y la modifican para no colisionar. Este control se ha implementado a nivel local, para asegurar una mayor tolerancia a fallos en caso de problemas de comunicación con el servidor central. Finalmente, la cooperación de la que se hablaba al inicio de este resumen se alcanza mediante un reparto eficiente de las tareas a realizar. El enfoque adoptado está basado en un esquema de subasta y licitador, en el que cada tarea es ejecutada por aquel robot que muestre una mayor predisposición para ello. De esta forma, se logra reducir a la mitad el tiempo requerido para llevar a cabo una serie de tareas de transporte cuando se duplica el número de robots en el sistema. Estos resultados se han comprobado tanto en simulación como con los robots físicos, validando así la implementación del sistema multi-robot. Abstract: Robotics is the branch of engineering devoted to design, construction and control of machines that can resolve human problems. It is an interdisciplinary research field which, combining various sciences, engineerings and technologies, aims to mimic or extend humans’ capacities. There are countless chores in which robots show a better performance than human beings, as the industrial sector is well aware of. Their speed, precision, and repeatability in monotonous jobs are in a superior order of magnitude. In contrast, their hability to establish links and coordinate between themselves and with their environment is still a pending task. In this regard, this work reveals the diverse and interrelated problems that arise when trying to merge cooperatively the efforts of a multi-agent system towards a common goal. These challenges begin with the perception of the world and the way to model it. With lidar-based simultaneous localization and mapping (SLAM), as for this project, a faithful description of the robots’ surroundings is accomplished. However, this devices present some limitations under certain conditions. Building a map is the essential pillar in which an efficient autonomous navigation bases its foundations. Navigation algorithms have been studied since the dawn of mobile robotics, but each of them offers a different approach that fits a particular requirement. For that reason, several experiments were carried out to determine the most suitable one in terms of time spent for its later implementation in the real robots. Once this demand is met, the next big step is to give the robot the hability to avoid unforeseen obstacles. In the real world, and minding the application of the robots in warehouses or greenhouses environments, these can be static or dynamic. Joining those two specifications, it has been shown that time elastic bands navigation algorithms are a great solution in means of speed, robustness in autonomous navigation as well as in the capability of obstacles avoidance. This allows multi-agent navigation in the same confined space, as they can detect each other and modify their trajectory to steer clear of the other’s. This control has been developed in a local way for a safer fault tolerance in case of communication issues with the central server. Finally, the cooperation this abstract started with, is achieved with an efficient distribution of tasks. This approach is based in a auctioneer and bidder scheme, in which each chore is executed by the most suited agent of the system. Therefore, the time required to perform these transport jobs is halved when the number of robots doubles. These results have been tested in simulation and real experiments, which validates the implementation of the multi-robot system.