Robótica Aplicada a la Agricultura: Prototipo de Robots Cooperativos para Tareas Agrícolas

Resumen:

Este proyecto es el resultado del trabajo de un grupo de ocho personas durante una semana (10/12/2012-14/12/2012) en el contexto de la asignatura de Robótica Aplicada a la Agricultura (Master Universitario en Automática y Robótica y Master Universitario en Agroingeniería de la Universidad Politécnica de Madrid).

El proyecto se centra en las tareas de búsqueda de frutos y recolección de los mismos y emplea un sistema formado por dos robots - explorador y recolector - con capacidades de comunicación y cooperación. Ambos robots han sido construidos con Lego Mindstorms NXT 2.0 empleando bloques de procesamiento, actuadores (eléctricos y neumáticos) y sensores (luz, ultrasonidos y brújula) y han sido programados con LEJOS (Java para Lego Mindstorms). La comunicación entre los robots explorador y recolector se ha establecido mediante Bluetooth.


Vídeo:

Robots Cooperativos: Algoritmos de exploración de un mapa para robots cooperativos

Resumen:

Este trabajo fue realizado por dos personas para la asignatura de Robots Cooperativos del Máster Universitario en Automática y Robótica de la Universidad Politécnica de Madrid.

El trabajo consiste en el desarrollo de algoritmos para que un conjunto de robots cooperativos exploren una serie de mapas y de una plataforma para visualizar su ejecución. Los robots tienen capacidad para percibir las posiciones cercanas, elaborar sus propios mapas e intercambiar información con otros robots que se encuentren dentro de su área de comunicaciones y con una estación central. El objetivo de los algoritmos es explorar la mayor área y encontrar el mayor número de objetivos posibles en un contexto competitivo.

Características:

Mundo:
- Mapa de 100 x 100 bits.
- Celdas libres (blancas), obstáculos (negros), objetivos (verdes) y robots (rojos).

Robots:
- Número: 10 robots.
- Tamaño: 1 celda.
- Visión: 2 celdas (área de 25 celdas).
- Comunicación: 10 celdas (área de 441 celdas).

Búsqueda:
- Tiempo: 500 movimientos.
- Objetivos: Explorar la máxima área y conseguir los máximos objetivos posibles.

Algoritmos: 

- Algoritmo 1: Probabilístico con umbrales variables según las casillas cercanas (libres, obstáculos, objetivos, robots...), las casillas lejanas (exploradas o no exploradas) y los objetivos de los robots (puntos en sus áreas de trabajo). Resultados del 80% del mapa y el 90% de los objetivos.
- Algoritmo 2: Planificación en A* con puntos generados de forma aleatoria en las zonas inexploradas de las áreas de trabajo de los robots. Resultados del 98,5% del mapa y el 100% de los objetivos. Utilizado en la competición.

Aplicación:
- Lenguaje: C#.
- Plataforma: Visual C#.

BSc+MSc Project: Quadrotor Control Reconfiguration for Emergency Flights

My BSc+MSc project was entitled "Quadrotor Control Reconfiguration for Emergency Flights". This work was developed in the Robotics and Cybernetics Research Group (RobCib) of Centre of Automation and Robotics (CAR, UPM-CSIC) between September 2011 and October 2012 and received a rating of 9.8 / 10.

In the last years, the use of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) has been generalized. These aerial robots are employed in multiple applications and diverse areas: agricultural applications, search and rescue missions, aerial photography and video... One of the most popular UAVs are the multi-rotors, which have small-medium sizes and are propulsed by a set of propellers.

This BSc+MSc thesis addressed a study of the different types of breakdowns that can affect to the different systems of the quadrotors. This study was focused on the lift system and its components: motors, shafts, proppelers and connections.

A system to detect the failures in the actuators of quadrotor has been designed, implemented and validated. This system compares the information about the state of the UAV obtained by means of the sensors (mainly, accelerometer and gyroscope) with the estimation generated by a quadrotor model. The system is able to detect the breakdowns and identify the actuator by using this comparison.

As the breakdowns have different causes and effects, the work distinguishes among minor and major failures. The first ones suppose a loss of less than 50% of the rotor lift and can be compensated by the action of control system. On the other hand, the second ones suppose a loss of more than 50% of the rotor lift and the system has not resources to compensate these effects.

In the case of minor failures, a control system has been developed to stabilize quadrotor and land safely. In the case of major failures, a passive safety method has been proposed to minimize the damages. Various passive safety methods have been analyzed and a parachute has been designed, modeled and implemented in the system.

All these systems have been firstly tested and validated in simulation and then implemented in a real system: a quadrotor designed and built specifically to test the system and methods developed during this project.

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Mi proyecto final de carrera se denominó "Sistema de Detección y Control de Averías para Quadrotors en Situaciones de Emergencia". Este trabajo se realizó en el Grupo de Robótica y Cibernética (RobCib) del Centro de Automática y Robótica (CAR, UPM-CSIC) entre septiembre de 2011 y octubre de 2012 y obtuvo una calificación de 9,8 / 10.

En los últimos tiempos, el uso de vehículos aéreos no tripulados (UAVs) se ha generalizado. Estas aeronaves están siendo empleadas en múltiples aplicaciones y en diversos campos: aplicaciones en agricultura, misiones de búsqueda y rescate, fotografía y vídeo en el aire… Unos de los UAVs más populares son los multirotors, que tienen un tamaño pequeño o mediano y son propulsados por un conjunto de hélices.

En este Proyecto de Fin de Carrera se ha abordado un estudio de las diferentes clases de averías que se pueden producir en los distintos sistemas del quadrotor, centrándose en el sistema de sustentación y los elementos que forman parte del mismo (motores, ejes, hélices y acoplamientos).

Posteriormente se ha diseñado, implementado y validado un sistema de detección de fallos en los actuadores del quadrotor. Este sistema compara la información sobre el estado de la aeronave obtenida a través de los sensores (principalmente, acelerómetro y giróscopo) con la información sobre el mismo estimada a partir de un modelo del sistema. A través de esta comparación el sistema es capaz de detectar las averías e identificar los actuadores en los que se han producido.

Como no todas las averías tienen las mismas causas y los mismos efectos, se ha distinguido entre averías leves y averías graves. Las primeras suponen una pérdida menor o igual al 50% del empuje de un rotor y pueden ser compensadas mediante la acción de un sistema de control. Por su parte, las segundas suponen una pérdida mayor al 50% del empuje de un rotor y el sistema carece de recursos para compensar sus efectos.

En respuesta a las averías leves se ha desarrollado un sistema de control que permite estabilizar la aeronave y aterrizar con seguridad. Por otra parte, en respuesta a las averías graves se ha decidido emplear un método de seguridad pasiva para minimizar los daños sufridos por la aeronave en caso de accidente. Tras analizar diferentes métodos de seguridad pasiva se ha seleccionado el paracaídas y se ha diseñado, modelado e implementado en el sistema.

Todos estos sistemas han sido inicialmente probados y validados en simulación y posteriormente implementados en un sistema real: un quadrotor diseñado y construido específicamente para probar los sistemas y métodos desarrollados durante este proyecto.

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