Arquitectura y diseño de un sistema completo de navegación semántica. Descripción de su

303 Pages·2017·4.65 MB·Spanish

by  Jonathan Crespo Herrero

TESIS DOCTORAL
Arquitectura y disen˜o de un
sistema completo de navegacio´n
sema´ntica. Descripcio´n de su
ontolog´ıa y gestio´n de
conocimiento.
Autor:
Jonathan Crespo Herrero
Director:
Ramo´n I. Barber Castan˜o
´
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA DE SISTEMAS Y
´
AUTOMATICA
Legan´es, Fecha
TESIS DOCTORAL (DOCTORAL THESIS)
Arquitectura y disen˜o de un sistema completo de
navegacio´n sema´ntica. Descripcio´n de su ontolog´ıa y
gestio´n de conocimiento.
Autor (Candidate): Jonathan Crespo Herrero
Director (Adviser): Ram´on I. Barber Castan˜o
Tribunal (Review Committee)
Firma (Signature)
Presidente (Chair):
Vocal (Member):
Secretario (Secretary):
T´ıtulo (Degree): Doctorado en Ingenier´ıa El´ectrica, Electro´nica y Automa´tica
Calificacio´n (Grade): Legan´es, de de

A mi familia
“Podr´ıa parecer que hemos llegado a los l´ımites alcanzables por la tecnolog´ıa
inform´atica, aunque uno debe ser prudente con estas afirmaciones, pues tienden a
sonar bastante tontas en cinco an˜os.”
— John Von Neumann, sobre 1949
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Agradecimientos
Son muchas las personas a las que mencionar en este momento. Pero sin duda por
quien debo empezar es por mi director de tesis, Ram´on Barber. Por su dedicaci´on, apoyo
y confianza, sin los cuales esta tesis no habr´ıa sido posible. Sus sabios consejos, directrices
y recomendaciones durante los an˜os que he dedicado a este trabajo han sido invaluables,
mostr´andomesiempreelcaminocorrecto.Susensen˜anzasmeser´andegranayudaparatodo
mi futuro, trascendiendo de esta tesis.
QuieroextenderlosagradecimientosatodoelRoboticsLabdelaUniversidadCarlosIII
de Madrid, que me acogieron desde el primer momento como uno m´as de una gran familia
dirigida por Carlos Balaguer, Miguel A. Salichs y Luis Moreno. Y a toda la gente que ha
convivido conmigo en el despacho o en el laboratorio, pasando muchas horas con Fernando
Alonso, Edwin On˜a, Esther Salichs, Arnaud Ramey, A´lvaro Castro y mucha m´as gente que
hanhechou´nicosestosan˜os,nopuedonombraratodos,perosiest´aisleyendoestoesporque
va por vosotros. En especial quiero mencionar a Jos´e Carlos, porque es ese compan˜ero que
no duda en ayudarte cuando te hace falta y del que se puede aprender mucho en cuanto a
conocimientos y actitud.
Hay m´as gente a la que debo agradecer. A O´scar Mart´ınez Mozos, por tantos buenos
consejos. A Michael Beetz, por haberme aceptado tres meses en su grupo de investigaci´on
en el Instituto de Inteligencia Artificial de la Universidad de Bremen. A Carlos, ´In˜igo,
Enrique, Clara y Alejandra; que fueron mis estudiantes de m´aster a quienes pude codirigir
sus respectivos trabajos que contribuyeron en varios aspectos a esta tesis.
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Por supuesto a mis padres, porque son mi ejemplo de actitud ante la vida, por haberme
ensen˜ado a luchar y a no darme por vencido, por haberme dado siempre su apoyo incondi-
cional, porque son los primeros en confiar en m´ı, por todos los valores que me han ensen˜ado
y por poder contar con ellos.
Y finalmente a Cristina, por demasiadas cosas como para enumerarlas, entre las que
han estado sus ´animos y muestras de apoyo constantes.
A todos, ¡GRACIAS!
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Resumen
En el actual mundo de la rob´otica, existe una tendencia general de implementar
mecanismos conductuales basados en la psicolog´ıa humana tomando como ejemplo
el procesamiento natural del pensamiento. Esto permite una mayor comprensio´n del
entorno y de los objetos que contiene. Esta tesis se desarrolla con la idea subyacente
de conseguir que un robot se comporte de manera semejante a como lo har´ıa un
ser humano. Esto no es algo inusual, muchos investigadores dedican su esfuerzo a
crear sistemas que resuelven una determinada tarea de una manera similar a como lo
resolver´ıa una persona. En el caso de esta tesis, la tarea o habilidad sobre la que se
ha trabajado ha sido la navegaci´on de robots mo´viles.
En el caso de la navegacio´n es necesario que se procesen una serie de subtareas de
cuya eficiencia va a depender que el robot llegue realmente al lugar al que quer´ıa ir.
Se necesita un planificador que decida los lugares a los que se debe dirigir el robot.
Y si esas decisiones se toman en base a una clasificacio´n razonada del entorno, que
se realiza en funcio´n de una serie de conceptos que definen el mundo que rodea al
robot, se esta´ realizando una navegaci´on a un nivel ma´s abstracto que el geom´etrico o
topol´ogico, m´as cercano a la manera de proceder de un ser humano. En esta tesis, este
nivel de navegacio´n es referido como navegacio´n sem´antica, tal como otros autores
han hecho anteriormente.
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En este punto, se puede definir que el objetivo principal de esta tesis es disen˜ar
e implementar un sistema de navegaci´on sema´ntica que gestione una mayor cantidad
de conceptos y relaciones, al mismo tiempo que se estudian las implementaciones ma´s
eficientes. Esto permite clasificar de una manera precisa el entorno y dota de mayor
autonom´ıa al robot a la hora de encontrar rutas que le acerquen a su destino.
Habiendo enmarcado la tesis dentro de este objetivo, se ha trabajado sobre el
disen˜o de una ontolog´ıa para definir el entorno. Todos los navegadores necesitan ma-
nejar un mapa que es interpretado por el planificador y que adema´s sirve para que el
robot se localice en el mundo que le rodea. En el caso de la navegaci´on sema´ntica, la
informacio´n representada en esta ontolog´ıa funciona como mapa sem´antico y cumple
con esta funcio´n. El disen˜o de la ontolog´ıa tambi´en es determinante para el sistema
de razonamiento que necesita incorporar el navegador. Este sistema de razonamiento
es el que se encarga de extraer la informacio´n necesaria a partir de los datos de los
que se dispone y que se almacenan como entidades de la ontolog´ıa.
La navegacio´n sem´antica requiere adem´as que se incorporen al robot varios sub-
sistemas que aporten distintas habilidades. La capacidad sensorial es una de estas
habilidades. Debido a las caracter´ısticas de este tipo de navegaci´on, la capacidad
sensorial es mucho ma´s exigente que en otros navegadores puesto que el robot ne-
cesita percibir los objetos del entorno. Otra habilidad destacable es la capacidad de
interaccio´n con los usuarios humanos. Adema´s, se necesita un sistema de navegacio´n
geom´etrico o topolo´gico para el bajo nivel, ya que la navegaci´on sema´ntica ha sido
tratadacomounacapasuperiordeabstraccio´nqueseconstruyesobreotronavegador.
En esta tesis se detalla c´omo funciona el sistema navegador completo, el desarro-
llo de los subsistemas y la integracio´n de todos ellos. La arquitectura del sistema ha
sido disen˜ada para ser modular, con lo que se ha podido implementar varias solucio-
nes diferentes para todos los m´odulos. Esto ha llevado a integrar varios sistemas de
percepci´on, probar con distintos sistemas de razonamiento, dos tipos de navegadores
(uno geom´etrico y otro topolo´gico) y dos interfaces de usuario (una por teclado y otra
basada en un sistema de dia´logo con voz). Esto sugiere que el sistema de navegacio´n
desarrollado en esta tesis es a su vez una buena herramienta para analizar y comparar
los subsistemas por separado.
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