La robótica aérea y los vehículos aéreos no tripulados (UAVs) son tecnologías
emergentes con un gran número de aplicaciones potenciales, tal como se ha puesto
de manifiesto en las hojas de ruta, estudios de
mercado y bibliografía. El objetivo es dotar a los UAVs de mayores capacidades
autónomas para constituir robots aéreos capaces de operar de forma segura y de
cooperar con otros robots y con sistemas en tierra.
Las Universidades y empresas en EEUU de América han liderado la investigación y
desarrollo en UAVs y robótica aérea en el mundo. Israel, Australia y, más
recientemente, Europa están dedicando también notables esfuerzos. En España el
programa SIVA del INTA comenzó en los años noventa del pasado siglo. La
Universidad Politécnica de Madrid y el grupo que presenta esta propuesta tienen
casi diez años de experiencia en robótica aérea. Existen también otras
Universidades, como la UPC, centros de Investigación y empresas con un interés
creciente, lo que se ha evidenciado en el reciente congreso sobre ”Advanced
Unmanned Aerial Systems” celebrado en Madrid el pasado mes de Noviembre de 2007.
En los estudios mencionados más arriba se ha puesto de manifiesto que la
seguridad y la fiabilidad son aspectos críticos en robótica aérea, en particular
cuando los UAVs deben volar en las proximidades de personas y edificios, o
cuando comparten el espacio aéreo con otras aeronaves. El principal objetivo de
este proyecto es la investigación en métodos y tecnologías que contribuyan a
incrementar dicha seguridad y fiabilidad
La aplicación práctica de un robot aéreo requiere en primer lugar su navegación
segura y fiable, lo que incluye la detección y evitación autónomas de
colisiones. Este problema ha recibido una importante atención en robots
terrestres, para los cuales se han desarrollado e implantado sistemas que tienen
una cierta fiabilidad, pero está lejos de estar resuelto en robots aéreos.
Algunas de las técnicas propuestas se basan en el empleo de escáner láser 2D y
LADAR. En la actualidad dichos sensores son relativamente pesados y requieren
UAVs con una carga útil importante. Asimismo, el empleo de las técnicas de
navegación reactiva existentes en los robots terrestres aún requiere esfuerzos
significativos de investigación para su aplicación en UAVs.
Algunos trabajos recientes presentan la extensión de un sistema de
navegación 2D basado en lógica borrosa a un sistema 3D apropiado para robots
aéreos. Un método alternativo es el empleo de técnicas de procesamiento de
imágenes monoculares para la detección y seguimiento de objetos móviles en el
campo de vista de la cámara. Se ha estudiado también el empleo de visión
estéreo. Es posible combinar la
aplicación de la técnica del flujo óptico a las imágenes procedentes de cámaras
laterales y la visión estéreo para navegar a través de “cañones urbanos”. Se ha
empleado también la visión estéreo con línea base de suficiente longitud (“wide
baseline stereo”) junto a técnicas de segmentación en color para detección y
evitación de obstáculos, sin embargo la distancia de
separación entre cámaras solo permite aplicar estas técnicas para la detección
de objetos próximos. En general, cabe decir que la aplicación de técnicas de
visión para navegación de UAVs no está todavía madura. En el proyecto
que se presenta se investigará tanto en el empleo de sensores de distancia como
en la fusión de imágenes monoculares con la información de los sensores
inerciales del UAV para la detección y evitación de obstáculos con un coste
computacional reducido para su aplicación en tiempo real.
Otro problema relacionado con la navegación autónoma es la existencia de fallos
en el sistema de posicionamiento por satélites, el cual es un elemento básico en
la navegación de los UAVs actuales. Es bien conocido que la señal del GPS puede
ser bloqueada o atenuada por accidentes orográficos, vegetación o edificios
próximos, resultando una estimación de posición muy poco precisa que puede
llevar a acciones de control incoherentes. Si el UAV está en la línea de vista
de un piloto de seguridad, dicho piloto podría tomar el control para una
operación de emergencia. Sin embargo, si el vuelo se realiza fuera de la línea
de vista, lo que es usual y deseable en robots aéreos, entonces la pérdida o
degradación de la señal GPS normalmente genera la pérdida del UAV. La percepción
local del entorno del robot aéreo puede resolver el problema al menos
temporalmente. Este es un área de investigación en el que se han propuesto
diferentes soluciones. La mayor parte de ellas emplean técnicas de visión para
estimar el movimiento y la localización del UAV. Se han
propuesto diversas técnicas de navegación en entornos urbanos basadas en
visión. También se han empleado
métodos de SLAM para estimar la localización del vehículo
mediante visión estéreo e imágenes monoculares. Asimismo,
algunos trabajos emplean cámaras omnidireccionales para
estimar la orientación del UAV. En cualquier caso, la aplicación experimental de
estos algoritmos en UAVs es todavía escasa y la mayor parte de los resultados se
han obtenido mediante procesamiento fuera de línea. En este proyecto se
trata de desarrollar e implantar métodos de estimación de la posición de los
UAVs basados en visión, teniendo en cuenta los aspectos relacionados con la
implantación. Estos métodos se emplearán como medida de seguridad para localizar
el UAV durante fallos temporales del GPS.
El aterrizaje autónomo de UAVs, y en particular de helicópteros
autónomos, ha sido resuelto por muchos grupos.
Típicamente se elige un área plana de dimensiones suficientes, programando el
UAV para aterrizar en esta área. En la última fase del aterrizaje suele
emplearse un sensor de distancia (ultrasonido o láser) para calcular la altura
con respecto a tierra, y en algunos casos se combina con técnicas de visión.
Como ejemplo de proyecto en el que se aplican las técnicas mencionadas es
posible mencionar el BEAR en Berkeley, en el cual se ha investigado en la
aplicación de la visión para la estimación de la posición de un helicóptero con
respecto a un área plana de aterrizaje, así como en el aterrizaje en plataformas
móviles. Se aplica una técnica geométrica para establecer correspondencias entre
múltiples vistas del mismo plano, lo que permite calcular el movimiento del UAV
con relación a la plataforma de aterrizaje. Normalmente se emplean plataformas
artificiales con rasgos visuales específicos que facilitan la identificación y
la correspondencia.
Si el robot es completamente autónomo, es necesario identificar un área de
aterrizaje apropiada utilizando el sistema de percepción a bordo. Lo mismo
ocurre si es necesario un aterrizaje de emergencia debido a fallos o las
condiciones ambientales. Asimismo, en algunas misiones, es necesario aterrizar
en plataformas móviles u oscilantes como la cubierta de un buque. Los trabajos
de investigación no se reducen al aterrizaje completamente autónomo sino que,
teniendo en cuenta la dificultad de la operación, se pretende también
suministrar ayudas a los operadores para el aterrizaje en la cubierta, tratando
de seguir el movimiento del buque y también de tener en cuenta el efecto de las
perturbaciones originadas por el viento. En la investigación sobre el aterrizaje
completamente autónomo pueden identificarse dos líneas. En la
primera línea el problema se aborda mediante un controlador no lineal que
combina métodos de regulación no lineal adaptativa de la salida y estabilización
robusta mediante prealimentación con saturación en el control, empleándose un
modelo interno para caracterizar el movimiento sinusoidal de la cubierta del
buque. En la segunda línea se resuelve el mismo problema empleando un cable de
anclaje y se desarrolla un modelo dinámico del conjunto helicóptero/cable/barco,
proponiendo un sistema de control con dos escalas de tiempo con medida del
ángulo entre el cable y el helicóptero/barco. En nuestro grupo se han
obtenido resultados previos en colaboración con los autores de la primera línea
mencionada. En este proyecto se propone la continuación de este trabajo
evaluando diferentes técnicas de control alternativas. Con tal fin, se emplearán
métodos de control neuronal y borroso basados en resultados previos del grupo.
La operación de los UAVs está fuertemente restringida por las
condiciones ambientales. En particular, el viento tiene un importante efecto en
la seguridad de la navegación y el aterrizaje del UAV. En la actualidad los
operadores evalúan estas condiciones antes del vuelo basándose en su
conocimiento heurístico del UAV que se trate, lo que está sujeto a
incertidumbres y a la subjetividad del operador. Por tanto, parece interesante
desarrollar métodos que contribuyan a simplificar el trabajo de estos
operadores. En este proyecto se propone el diseño de una nueva
herramienta basada en la aplicación de la teoría de sistemas no lineales para el
análisis del efecto de las perturbaciones, empleando para
ello un modelo apropiado del UAV. En particular, se estudiarán y caracterizarán
las máximas perturbaciones de viento que puede soportar el helicóptero autónomo
para que efectúe una navegación segura. Por otra parte, se diseñarán
controladores que incrementen la fiabilidad y la seguridad, garantizando la
estabilidad en situaciones críticas aunque pueda existir una cierta degradación
del rendimiento.
Finalmente, hay que mencionar que la fiabilidad de los robots aéreos
también depende del sistema de control en tiempo real a bordo. En este punto
debe tenerse en cuenta que los UAVs han sido considerados como sistemas de
prueba de controladores empotrados con restricciones importantes en tiempo real
en diversos proyectos, como en MOBIES de DARPA sobre arquitectura distribuidas
para tiempo real. Por tanto, en el proyecto se prestará también atención
a la fiabilidad del hardware y software del controlador embarcado.
Muchas aplicaciones potenciales requieren, o se
resuelven mejor, con un equipo de UAVs. La cooperación de estos robots aéreos
hace necesario el desarrollo e implantación de métodos de coordinación espacial
y temporal de los UAVs. El grupo que propone este proyecto ha liderado
actividades de I+D sobre UAVs cooperativos tanto a nivel nacional como europeo
siendo el coordinador científico y técnico del proyecto COMETS sobre
coordinación y control de múltiples UAVs heterogéneos, en el que se ha
desarrollado una arquitectura que permite explotar las complementariedades entre
distintos UAV heterogéneos para la realización de misiones de detección y
monitorización. En COMETS se ha puesto de manifiesto que la seguridad y
fiabilidad en la ejecución autónoma de misiones aumenta con la implantación de
métodos completamente distribuidos que eviten la dependencia actual del centro
de control. Por tanto, se propone investigar en métodos de asignación
distribuida de tareas, que considerarán múltiples criterios para la negociación
multi-UAV, incluyendo criterios de seguridad y fiabilidad. Para ello se
emplearán resultados previos en asignación de tareas a múltiples robots mediante
negociación basada en reglas de mercado y ejecución multi-UAV de misiones. Estos
métodos se integrarán en una misma arquitectura con métodos óptimos y
cuasi-óptimos de evitación de colisiones y planificación de trayectorias
involucrando modelos de los UAVs y asegurando una separación previamente
definida entre las aeronaves. Se pretende también investigar en métodos
distribuidos para la percepción cooperativa fiable a partir de los resultados
previos obtenidos en los proyectos COMETS y CROMAT.
En este proyecto se implantarán métodos distribuidos que
incrementen la fiabilidad. Como antecedente cabe mencionar los trabajos de la
Universidad de Sydney en los cuales se han presentado métodos de percepción
descentralizada, fundamentalmente basados en filtros de información y para
estados estáticos. Otros enfoques son el empleo de filtros de partículas o los
árboles de decisión borrosa. En este proyecto se emplearán representaciones
versátiles tales como la conocida con el nombre de “mixtures”. Asimismo, se
aplicarán filtros de información que mantengan una estimación sobre el estado en
instantes pasados (delayed-state filters), para resolver problemas de
seguimiento y construcción de mapas mediante técnicas distribuidas.
Asímismo, se investigará en percepción activa. La mayor parte de los métodos
actuales se basan en algoritmos que tratan de maximizar la ganancia de
información en el siguiente instante (“greedy”). En el proyecto se estudiará la
aplicación de los denominados “Partial Observable Markov Decision Processes
(POMDP)” para tener en cuenta la planificación y cooperación con modelos de
incertidumbre. Se investigará en métodos que permitan realizar aproximaciones
que reduzcan la complejidad computacional asociada. El uso de los POMDPs para la
coordinación de equipos de UAV no ha sido identificado en ningún trabajo previo.
La integración de los robots aéreos con los sistemas de apoyo en tierra es un
aspecto importante que puede justificarse teniendo en cuenta las limitaciones
físicas de los robots aéreos para realizar numerosas misiones en tierra. En
particular, la integración con las redes inalámbricas de sensores y actuadores
ha sido identificado como un enfoque muy apropiado que podría ayudar a
resolver misiones que no pueden realizarse sin un alto riesgo con robots aéreos.
Se extenderán resultados obtenidos en el proyecto AWARE (FP-6, Comisión
Europea) en el cual el grupo es el líder del consorcio, y el proyecto español
AEROSENS, para superar las limitaciones relacionadas con la fiabilidad que no se
tratan en dichos proyectos. En particular, se pretende desarrollar un sistema
distribuido para la cooperación de UAVs con cámaras en tierra extendiendo
resultados actuales que emplean un sistema centralizado. Asimismo, se
investigará en la cooperación de robots aéreos con redes de sensores y
actuadores incluyendo nodos estáticos, nodos transportados por personas y
vehículos convencionales, y nodos en robots en tierra. Un punto importante es la
localización de los nodos sin emplear GPS, para lo cual existen diferentes
técnicas. Se propone aquí la localización simultánea de los nodos estáticos en
tierra y de los UAVs empleando la intensidad de la señal de radio, tema en el
que se han obtenido resultados prometedores empleando filtros de partículas. Se
realizarán implantaciones distribuidas de los métodos de localización empleando
filtros de información.
Asimismo, se investigará en el seguimiento de objetos móviles dotados
de nodos empleando para ello tanto las señales de los sensores como cámaras a
bordo de los UAVs y en tierra. El grupo que presenta este
proyecto ha obtenido resultados preliminares en el seguimiento de
bomberos empleando una implantación centralizada de un filtro de Kalman. Las
redes inalámbricas de sensores pueden considerarse también como una extensión de
las capacidades sensoriales del robot y por tanto ser utilizadas para su
navegación autónoma. En el proyecto se pretende
la extensión de los resultados previos sobre la aplicación del método denominado
Rapidly Exploring Random Trees (RRT) para la planificación de trayectorias
óptimas de los robots. El principal objetivo será mejorar la seguridad y
fiabilidad, las cuales se considerarán explícitamente como criterios en un marco
de optimización multicriterio. Asímismo, se emplearán métodos reactivos basados
en técnicas borrosas. Se investigará también en la implantación mediante
arquitecturas completamente distribuidas.
Finalmente, el proyecto considera el análisis de escenarios de
aplicación realistas en los cuales la seguridad y fiabilidad juegan un papel
importante. En particular, el proyecto pretende estudiar la monitorización en
gestión de desastres, y las tareas de inspección en entornos urbanos.
La primera fue contemplada en entornos forestales en los proyectos
COMETS y CROMAT. En este proyecto se consideran entornos urbanos e industriales
que son más exigentes en lo que respecta a requerimientos de seguridad y
fiabilidad, lo que ha sido puesto de manifiesto por el grupo de usuarios
constituido en AWARE, en el cual se ha comenzado a trabajar en dichos entornos
sin tener en cuenta las consideraciones de seguridad que se tratarán en este
proyecto.
Con respecto a la segunda aplicación, cabe mencionar como antecedentes los
trabajos realizados sobre inspección de líneas eléctricas e inspección térmica
de edificios. En este proyecto se considera la inspección para la conservación
de monumentos y edificios de especial interés. En esta aplicación los ensayos in
situ mediante métodos no destructivos empleando cámaras visuales y de
infrarrojos son de gran interés para analizar el efecto de las condiciones
ambientales, la eficiencia del tratamiento de conservación, y las
características mineralógicas y petrográficas de las superficies. En la
actualidad las inspecciones requieren la colocación de andamios. La inspección
mediante robótica aérea evitaría dichos andamios, permitiendo el estudio de
grandes fachadas y tejados de monumentos, soslayando además problemas de no
accesibilidad y ocultaciones. Conviene poner de manifiesto que también resulta
de interés la combinación de la información suministrada por los
UAVs con la de cámaras y otros sensores instalados en los edificios y
monumentos, que permitan medir variables tales como temperatura, humedad,
concentración de gases contaminantes, etc. En ambos casos resulta muy relevante
el empleo de sensores y hardware basado en microsistemas a bordo de los
UAVs y en tierra. Asimismo, es relevante el interés de los métodos
robustos de procesamiento de imágenes desarrolladas por el grupo en que permiten
considerar efectos tales como los cambios de iluminación y las vibraciones.