Propagation, Localization and Navigation in Tunnel-like Environments

La robotica de servicio, entendida como aquella destinada al uso de uno o varios robots con fines de, por ejemplo, vigilancia, rescate e inspecciones, ha ido tomando cada vez mas relevancia en los ultimos anos. Debido a los grandes avances en las distintas areas de la robotica, los robots han sido capaces de ejecutar satisfactoriamente tareas que resultan peligrosas o incluso imposibles para los humanos, en diversos entornos. Entre ellos, los entornos confinados como tuneles, minas y tuberias, han atraido la atencion en aplicaciones relacionadas con transporte ferroviario, redes vehiculares, busqueda y rescate, y vigilancia, tanto en el ambito civil como militar. En muchas tareas, la utilizacion de varios robots resulta mas provechoso que utilizar solo uno. Para cooperar, los robots deben intercambiar informacion sobre el entorno y su propio estado, por lo que la comunicacion entre ellos resulta crucial. Debido a la imposibilidad de utilizar redes cableadas entre robots moviles, se despliegan redes inalambricas. Para determinar la calidad de senal entre dos robots, inicialmente se utilizaban modelos de propagacion basados unicamente en la distancia entre ellos. Sin embargo, estas predicciones solo resultan utiles en exteriores y sin la presencia de obstaculos, que solo componen una pequena parte de los escenarios de la robotica de servicio. Mas aun, la naturaleza altamente multi-trayecto de la propagacion electromagnetica en tuneles hace que estos actuen como guias de onda para cierto rango de frecuencias, extendiendo considerablemente el alcance de comunicacion en comparacion con entornos exteriores. Sin embargo, la senal se ve afectada con profundos desvanecimientos (llamados fadings en ingles). Esto los convierte en un reto para la robotica que considera la comunicacion entre robots como fundamental. Ademas, la naturaleza hostil de estos entornos, asi como tambien la falta de caracteristicas visuales y estructurales, dificultan la localizacion en estos escenarios, cuestion que resulta fundamental para ejecutar con exito una tarea con un robot. Los metodos de localizacion utilizados en interiores, como aquellos basados en SLAM visual, resultan imprecisos por la falta de caracteristicas distintivas para camaras o lasers, mientras que los sensores utilizados en exteriores, como el GPS, no funcionan dentro de tuneles o tuberias. En esta tesis abordamos problemas fundamentales para la robotica con el fin de proporcionar herramientas necesarias para la exploracion con robots en entornos tipo tunel, manteniendo la conectividad de la red de comunicaciones formada por varios robots y una estacion base. Para ello, primeramente caracterizamos, en terminos de propagacion, los dos escenarios tipo tunel mas comunes: un tunel de hormigon y una tuberia metalica. Hacemos enfasis en el fenomeno de los fadings, ya que son el problema mas importante a considerar para mantener la comunicacion. Posteriormente presentamos una estrategia de navegacion para desplegar un equipo de robots en un tunel, lidiando con los fadings para mantener la conectividad de la red formada por los robots. Esta estrategia ha sido validada a traves de numerosos experimentos realizados en un tunel real, el tunel de Somport. Luego, abordamos el problema de la localizacion, proponiendo e implementando una tecnica que permite estimar la posicion de un robot dentro de una tuberia, basada en la periodicidad de los fadings. El metodo es validado a traves de experimentos reales en tuberias de pequena y grandes dimensiones. Finalmente, proponemos esquemas de diversidad espacial, de forma que se facilita la navegacion mientras se mejora la localizacion.