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

303 Pages·2017·4.65 MB·Spanish
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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 i ii 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. iii 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! iv 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. v 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. vi

Description:
The focused task or skill in this thesis is the navigation of mobile robots. In the case of del UCI Machine Learning Repository [22]. El aprendizaje
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