Sistema de control colaborativo de robots autónomos basado en planificación automática

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En este documento se presenta el diseño de una arquitectura de control híbrida, distribuída y modular para robots heterogéneos basada en plani cación automática. Su principal objetivo consiste en resolver problemas mediante la actuación combinada de varios robots, los cuales a través de la realización de tareas sencillas, sean capaces de producir comportamientos que puedan ser considerados inteligentes. Para la realización de este proyecto se ha utilizado Microsoft Robotic Developer Studio 2008 R2 como framework de trabajo debido al amplio número de módulos y servicios orientados a la robótica que posee, y los robot P3-DX y Lego NXT, para comprobar el correcto funcionamiento de la arquitectura de control que ha sido desarrollada.
Ingeniería en Informática
Publicado el : sábado, 01 de enero de 2011
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Número de páginas: 224
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Universidad Carlos III de Madrid
Escuela politecnica superior
Ingenier a Inform atica
Proyecto Fin de Carrera
Sistema de control colaborativo
de robots aut onomos basado en
plani caci on automatica
Autor: Moises Mart nez Munoz~
Tutor: Fernando Fern andez Rebollo>Ser an los robots los herederos de la Tierra?
S , pero ser an hijos nuestros.
Marvin Minsky, 1994
iAgradecimientos
En primer lugar quer a agradecer a mi tutor Fernando Fern andez, por la
oportunidad de realizar este proyecto, as como su ayuda e in nita paciencia a lo
largo del proceso de desarrollo de este trabajo.
Al profesor Raul Arrabales de la Universidad Carlos III, por su ayuda en las
etapas iniciales de este proyecto, durante la instalaci on de los servicios de gesti on
del sonar, desarrollados por el.
A Susana y David, por acompanarme~ siempre a lo largo de todo este proceso
y apoyarme en todo momento.
A mis companeros~ del laboratorio, por su compresi on a la hora de rodear el
edi cio durante la realizaci on de las pruebas y por sus comentarios, los cuales me
han servido para mejorar algunos de los elementos de este proyecto.
A todos mis amigos, por aguantar mis continuos comentarios sobre este
proyecto y siempre tener tiempo para ayudarme a desconectar.Resumen
En este documento se presenta el diseno~ de una arquitectura de control
h brida, distribu da y modular para robots heterogeneos basada en plani caci on
autom atica. Su principal objetivo consiste en resolver problemas mediante la ac-
tuaci on combinada de varios robots, los cuales a traves de la realizaci on de tareas
sencillas, sean capaces de producir comportamientos que puedan ser considerados
inteligentes. Para la realizaci on de este proyecto se ha utilizado Microsoft Robotic
Developer Studio 2008 R2 como framework de trabajo debido al amplio num ero
de m odulos y servicios orientados a la rob otica que posee, y los robot P3-DX y
Lego NXT, para comprobar el correcto funcionamiento de la arquitectura de con-
trol que ha sido desarrollada.
iiiIndice general
1. Introducci on 1
1.1. Descripci on del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.1. Dispositivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2. Motivaci on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3. Objetivos del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4. Estructura del documento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2. Estado de la Cuesti on 13
2.1. Historia de la rob otica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2. Arquitecturas de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.1. Introducci on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.2. Paradigma Deliberativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.3. P Reactivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2.4. Paradigma H brido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2.5. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.3. Plani caci on autom atica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.3.1. Introducci on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.3.2. Plani caci on Cl asica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.3.3. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3. Arquitectura del controlador 53
3.1. Introducci on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.2. Roles de ejecuci on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
v3.3. Arquitectura detallada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.3.1. Sistema de Control Central . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.3.2. Sistema de control reactivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.4. Comunicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.5. Plani caci on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.5.1. De nici on del dominio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.5.2. Replani caci on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.6. Flujo general de ejecuci on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4. Experimentaci on 81
4.1. De nici on de los experimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.2. Nomenglatura de los resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.3. Descripci on de los experimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.3.1. Experimento 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.3.2. Experimento 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.3.3. Experimento 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.3.4. Experimento 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.3.5. Experimento 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.4. Conclusiones a los experimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5. Gesti on del proyecto 93
5.1. Distribuci on de tareas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.2. Descripci on de las fases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.2.1. An alisis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.2.2. Aprendizaje de tecnolog as . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.2.3. Diseno~ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.2.4. Implementaci on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.2.5. Pruebas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.2.6. Documentaci on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.3. Presupuesto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.3.1. Descripci on de personal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.3.2. Descripci on de los materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
vi6. Conclusiones 103
6.1. generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.2. Conclusiones referentes a los objetivos . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.3. Problemas encontrados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.3.1. Microsoft Robotic Studio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.3.2. Dispositivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.3.3. Plani cador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.4. Lineas Futuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
A. Tecnolog a 113
A.1. Microsoft Robotic Developer Studio . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
A.1.1. Descentralized Software Services . . . . . . . . . . . . . . . 114
A.1.2. Concurrency and Coordination Runtime . . . . . . . . . . 117
A.1.3. Interacciones entre servicios . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
A.1.4. Comandos b asicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
A.2. Gold Parser Library . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
A.3. MindSqualls Library . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
B. Analisis del sistema 127
B.1. Descripci on de las caracter sticas funcionales . . . . . . . . . . . . 127
B.2. Restricciones de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
B.3. Entorno Operacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
B.4. Diagrama de Casos de Uso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
B.4.1. Descripci on de elementos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
B.4.2. Descripci on textual de Casos de Uso . . . . . . . . . . . . 135
B.5. Diseno~ del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
B.5.1. Diagrama de componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
B.5.2. de clases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
viiC. Analizador del lenguaje PDDL 161
C.1. An alisis lexico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
C.2. An alisis sinacticot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
C.3. An alisis sem antico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
D. C odigo PDDL 169
D.1. Dominio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
D.2. Experimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
D.2.1. Experimento 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
D.2.2. Experimento 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
D.2.3. Experimento 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
D.2.4. Experimento 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
D.2.5. Experimento 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
E. Entorno de ejecuci on 195
E.1. Fichero de con guraci on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
E.2. Ejecuci on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
F. Glosario de Terminos 201
viii

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