Propagation, Localization and Navigation in Tunnel-like Environments

La robótica 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 más relevancia en los últimos años. Debido a los grandes avances en las distintas áreas de la robótica, 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 túneles, minas y tuberías, han atraído la atención en aplicaciones relacionadas con transporte ferroviario, redes vehiculares, búsqueda y rescate, y vigilancia, tanto en el ámbito civil como militar. En muchas tareas, la utilización de varios robots resulta más provechoso que utilizar sólo uno. Para cooperar, los robots deben intercambiar información sobre el entorno y su propio estado, por lo que la comunicación entre ellos resulta crucial. Debido a la imposibilidad de utilizar redes cableadas entre robots móviles, se despliegan redes inalámbricas. Para determinar la calidad de señal entre dos robots, inicialmente se utilizaban modelos de propagación basados únicamente en la distancia entre ellos. Sin embargo, estas predicciones sólo resultan útiles en exteriores y sin la presencia de obstáculos, que sólo componen una pequeña parte de los escenarios de la robótica de servicio. Mas aún, la naturaleza altamente multi-trayecto de la propagación electromagnética en túneles hace que éstos actúen como guías de onda para cierto rango de frecuencias, extendiendo considerablemente el alcance de comunicación en comparación con entornos exteriores. Sin embargo, la señal se ve afectada con profundos desvanecimientos (llamados fadings en inglés). Esto los convierte en un reto para la robótica que considera la comunicación entre robots como fundamental. Además, la naturaleza hostil de estos entornos, así como también la falta de características visuales y estructurales, dificultan la localización en estos escenarios, cuestión que resulta fundamental para ejecutar con éxito una tarea con un robot. Los métodos de localización utilizados en interiores, como aquellos basados en SLAM visual, resultan imprecisos por la falta de características distintivas para cámaras o lásers, mientras que los sensores utilizados en exteriores, como el GPS, no funcionan dentro de túneles o tuberías. En esta tesis abordamos problemas fundamentales para la robótica con el fin de proporcionar herramientas necesarias para la exploración con robots en entornos tipo túnel, manteniendo la conectividad de la red de comunicaciones formada por varios robots y una estación base. Para ello, primeramente caracterizamos, en términos de propagación, los dos escenarios tipo túnel más comunes: un túnel de hormigón y una tubería metálica. Hacemos énfasis en el fenómeno de los fadings, ya que son el problema más importante a considerar para mantener la comunicación. Posteriormente presentamos una estrategia de navegación para desplegar un equipo de robots en un túnel, lidiando con los fadings para mantener la conectividad de la red formada por los robots. Esta estrategia ha sido validada a través de numerosos experimentos realizados en un túnel real, el túnel de Somport. Luego, abordamos el problema de la localización, proponiendo e implementando una técnica que permite estimar la posición de un robot dentro de una tubería, basada en la periodicidad de los fadings. El método es validado a través de experimentos reales en tuberías de pequeña y grandes dimensiones. Finalmente, proponemos esquemas de diversidad espacial, de forma que se facilita la navegación mientras se mejora la localización.Deploying a team of robots for search and rescue, inspection, or surveillance, has increasingly gained attention in the last years. As a result of the advances in several areas of robotics, robots have been able to successfully execute tasks that are hazardous or even impossible for humans in a variety of scenarios, such as outdoors, indoors, or even underground. Among these scenarios, tunnel-like environments (such as tunnels, mines, or pipes) have attracted attention for train applications, vehicular networks, search and rescue, and even service and surveillance missions in both military and civilian contexts. In most of the tasks, utilizing a multi-robot team yields better results than a singlerobot system, as it makes the system more robust while reducing the time required to complete tasks. In order to cooperate, robots must exchange information about their current state and the surrounding environment, making communication between them a crucial task. However, due to the mobile nature of robots used for exploration, a wired architecture is not possible nor convenient. Instead, a wireless network is often deployed. Wireless propagation in tunnel-like environments, characterized for the presence of strong fading phenomena, differs from regular indoor and outdoor scenarios, posing multiple challenges for communication-aware robotics. In addition, accurate localization is a problem in environments such as tunnels or pipes. These environments generally lack distinctive visual and/or structural features and are longer than they are wide in shape. Standard indoor localization techniques do not perform well in pipelines or tunnels given the lack of exploitable features, while outdoor techniques (GPS in particular) do not work in these scenarios. In this thesis, we address basic robotics-related problems in order to provide some tools necessary for robotics exploration in tunnel-like scenarios under connectivity constraints. In the first part, we characterize, in terms of propagation, two of the most common tunnel-like environments: a pipe and a tunnel. We emphasize the spatial-fadings phenomena, as it is one of the most relevant issues to deal with, in a communications context. Secondly, we present a navigation strategy to deploy a team of robots for tunnel exploration, in particular maintaining network connectivity in the presence of these fadings. Several experiments conducted in a tunnel allow us to validate the connectivity maintenance of the system. Next, we address the localization problem and propose a technique that uses the periodicity of the fadings to estimate the position of the robots from the base station. The method is validated in small-scale and large-scale pipes. Finally, we propose spatial diversity schemes in order to ease the navigation while improving the localization