Robot localization in tunnel-like environments

Resumen

Los entornos confinados como tuberías, túneles o minas constituyen infraestructuras clave para el desarrollo de las economías de los diferentes países. La existencia de estas infraestructuras conlleva la necesidad de llevar a cabo una serie de tareas de mantenimiento mediante inspecciones regulares para asegurar la integridad estructural de las mismas. Así mismo, existen otras tareas que se tienen que realizar en estos entornos como pueden ser misiones de rescate en caso de accidentes e incluso las propias tareas derivadas de la construcción de los mismos. La duras condiciones de este tipo de entornos, ausencia de luz, polvo, presencia de fluidos e incluso de sustancias tóxicas, hace que la ejecución de las mismas suponga un trabajo tedioso e incluso peligroso para las personas. Todo esto, unido a los continuos avances en las tecnologías robóticas, hacen que los robots sean los dispositivos más adecuados para la realización de estas tareas. Para que un robot pueda desempeñar su cometido de manera autónoma, es fundamental que pueda localizarse de manera precisa, no sólo para poder decidir las acciones a llevar a cabo sino también para poder ubicar de manera inequívoca los posibles daños que se puedan detectar durante las labores de inspección. El problema de la localización ha sido ampliamente estudiado en el mundo de la robótica, existiendo multitud de soluciones tanto para interiores como para exteriores mediante el uso de diferentes sensores y tecnologías. Sin embargo, los entornos tipo túnel presentan una serie de características específicas que hacen que la tarea de localización se convierta en todo un reto. La ausencia de iluminación y de características distinguibles tanto visuales como estructurales, hacen que los métodos tradicionales de localización basados en sensores láser y cámaras no funcionen correctamente. Además, al tratarse de entornos confinados, no es posible utilizar sensores típicos de exteriores como es el caso del GPS. La presencia de fluidos e incluso de superficies irregulares hacen poco fiables los métodos basados en odometría utilizando encoders en las ruedas del robot. Por otra parte, estos entornos presentan un comportamiento peculiar en lo que a la propagación de la señal de radiofrecuencia se refiere. Por un lado, a determinadas frecuencias, se comportan como guías de onda extendiendo el alcance de la comunicación, pero por otro, la señal radio sufre fuertes desvanecimientos o fadings. Trabajos previos han demostrado que es posible obtener fadings periódicos bajo una configuración determinada. Partiendo de estos estudios, en esta tesis se aborda el problema de la localización en tuberías y túneles reaprovechando esta naturaleza periódica de la señal radio. Inicialmente, se propone un método de localización para tuberías metálicas basado en técnicas probabilísticas, utilizando el modelo de propagación de la señal como un mapa de radiofrecuencia. Posteriormente, se aborda la localización en túneles siguiendo una estrategia similar de reaprovechar la naturaleza periódica de la señal y se presenta un método de localización discreta. Yendo un paso más allá, y con el objetivo de mejorar la localización a lo largo del túnel incluyendo otras fuentes de información, se desarrolla un método inspirado en el paradigma del graph-SLAM donde se incorporan los resultados obtenidos de la detección de características discretas proporcionadas por el propio túnel. Para ello, se implementa un sistema de detección que proporciona la posición absoluta de características relevantes de la señal periódica radio. Del mismo modo, se desarrolla un método de detección de características estructurales del túnel (galerías) que devuelve la posición conocida de las mismas. Todos estos resultados se incorporan al grafo como fuentes de información. Los métodos de localización desarrollados a lo largo de la tesis han sido validados con datos recolectados durante experimentos llevados a cabo con plataformas robóticas en escenarios reales: la tubería de Santa Ana en Castillonroy y el túnel ferroviario de Somport.