Algorithms for multi-robot systems on the cooperative exploration & last-mile delivery problems

Resumen

La aparición de los vehículos aéreos no tripulados (UAVs) y de los vehículos terrestres no tripulados (UGVs) ha llevado a la comunidad científica a enfrentarse a problemas ideando paradigmas de cooperación con UGVs y UAVs. Sin embargo, no suele ser trivial determinar si la cooperación entre UGVs y UAVs es adecuada para un determinado problema. Por esta razón, en esta tesis, investigamos un paradigma particular de cooperación UGV-UAV en dos problemas de la literatura, y proponemos un controlador autónomo para probarlo en escenarios simulados. Primero, formulamos un problema particular de exploración cooperativa que consiste en alcanzar un conjunto de puntos de destino en un área de exploración a gran escala. Este problema define al UGV como una estación de carga móvil para transportar el UAV a través de diferentes lugares desde donde el UAV puede alcanzar los puntos de destino. Por consiguiente, proponemos el algoritmo TERRA para resolverlo. Este algoritmo se destaca por dividir el problema de exploración en cinco subproblemas, en los que cada subproblema se resuelve en una etapa particular del algoritmo. Debido a la explosión de la entrega de paquetes en las empresas de comercio electrónico, formulamos también una generalización del conocido problema de la entrega en la última milla. En este caso, el UGV actúa como una estación de carga móvil que transporta a los paquetes y a los UAVs, y estos se encargan de entregarlos. De esta manera, seguimos la estrategia de división descrita por TERRA, y proponemos el algoritmo COURIER. Este algoritmo replica las cuatro primeras etapas de TERRA, pero construye una nueva quinta etapa para producir un plan de tareas que resuelva el problema. Para evaluar el paradigma de cooperación UGV-UAV en escenarios simulados, proponemos el controlador autónomo ARIES. Este controlador sigue un enfoque jerárquico descentralizado de líder-seguidor para integrar cualquier paradigma de cooperación de manera distribuida. Ambos algoritmos han sido caracterizados para identificar los aspectos relevantes del paradigma de cooperación en los problemas relacionados. Además, ambos demuestran un gran rendimiento del paradigma de cooperación en tales problemas, y al igual que el controlador autónomo, revelan un gran potencial para futuras aplicaciones reales.