Leonardo Franco

Grupo de Inteligencia Computacional y Aplicaciones Departamento de Lenguajes y Ciencias de la Computación

Universidad de Málaga, España

http://www.lcc.uma.es/~lfranco lfranco@lcc.uma.es

Inteligencia computacional en el control y operación de drones

Dr. Francis Veredas Dr. Leonardo Franco Dr. José M. Jerez

Dr. Iván Gómez

Dr. José Subirats Ing. Daniel Urda

Ing. Paco Ortega

http://www.lcc.uma.es/~lfranco/

MÉTODOS DE INTELIGENCIA COMPUTACIONAL

APLICACIONES

Algoritmos constructivos de redes neuronales

Mejora de la capacidad de predicción

Arquitecturas multicapas

Algoritmos genéticos para la selección de características

Optimización de procesos industriales

Sistemas embebidos (FPGA – Microcontroladores)

Reconocimiento de imágenes

Aplicaciones biomédicas

Publicaciones relacionadas Detalles

F. Ortega-Zamorano, J.M. Jerez, D. Urda, R. Luque, and L. Franco. Efficient implementation of the Backpropagation algorithm in FPGAs and microcontrollers. Enviado a IEEE Transactions on Neural Networks (2014).

Implementación del algoritmo de retropropagación en FPGA y microcontroladores.

F. Ortega-Zamorano, J.M. Jerez, J.L. Subirats, I. Molina, and L. Franco. Smart sensor/actuator node reprogramming in changing environments using a neural network model. Engineering Applications of Artificial Intelligence, 30, pp. 179-188 (2014).

Reprogramación on-line de sensores.

F. Ortega-Zamorano, J.M. Jerez, and L. Franco. FPGA implementation of the C-Mantec Constructive Neural Network Algorithm. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 10, pp. 1154-1161 (2014).

Algoritmo constructivo de redes neuronales C-Mantec implementado en FPGA.

F. Ortega-Zamorano, J.L. Subirats, J.M. Jerez, I. Molina and L. Franco. Implementation of the C-Mantec Neural Network Constructive Algorithm in an Arduino Uno Microcontroller. Lecture Notes in Computer Science, 7902, pp. 80-87, (2013).

Algoritmo constructivo de redes neuronales C-Mantec implementado en microcontroladores.

Constructive Neural Networks, Springer (2010)

•  Presentación

•  Boom actual, cuadricópteros vs helicópteros.

•  ¿ Drones Inteligentes ?

•  Aplicaciones de la Inteligencia Computacional en visión y control

•  Tecnologías involucradas

•  Conclusiones. Presente y Futuro

Esquema de la charla

El surgimiento de los drones

La existencia de drones no es algo reciente pero su irrupción masiva actual se debe a una combinación de diversos factores:

•  Reducción de tamaño y coste de dispositivos electrónicos.

Señalés satelitales (comunicaciones y GPS), Celular (Bluetooth, wi-fi)

•  Estabilidad automática de vuelo (electrónica, surgimiento de los cuadricópteros)

•  Conectividad

•  Incorporación de dispositivos para captura de imágenes

Si bien el reciente boom se ha originado en el sector militar, estamos viviendo un gran crecimiento en la utilización profesional y amateur.

Cuadricópteros vs Helicópteros

¿ Por qué a pequeña escala la mayoría de los drones son cuadricópteros ?

Mientras que a gran escala casi únicamente encontramos helicópteros.

Estabilidad ?

Coste ?

Simplicidad ?

Rumerman quadrotor 1924

Tipo de motor ?

Cuadricópteros vs Helicópteros

¿ Por qué a pequeña escala la mayoría de los drones son cuadricópteros ?

Mientras que a gran escala casi únicamente encontramos helicópteros.

Coste y Simplicidad Estabilidad y Coste

pequeña escala gran escala

Sistemas de vuelo: Helicóptero vs Cuadricóptero

Sistema de vuelo de un Helicóptero

Las hélices deben ajustar su inclinación mientras dan vuelta para ajustar el avance. En combinación con el rotor de cola el helicóptero consigue maniobrar. El sistema de rotación-inclinación es un mecanismo complejo y costoso.

Esencialmente un quadricóptero es menos estable, pero el mecanismo de vuelo es muy sencillo, ya que únicamente hay que ajustar la velocidad de cada motor. Manualmente es muy complicado pero gracias a la electrónica y a los sensores es bastante más sencillo. Sin embargo ajustar la velocidad de un motor grande requiere un gran esfuerzo (mayor inercia) por lo que a gran escala no es un sistema tan conveniente.

Dinámica de vuelo de un cuadricóptero

¿ Son los drones actuales inteligentes ?

Video de Hexa-drone de seguimiento

HEXO + : El drone que te sigue

Desde una posición y distancia predeterminadas Hexo+ realiza un seguimiento a un teléfono móvil usando el protocolo MAV link.

Crowdfunding: más de un millón de dólares conseguidos en un par de meses.

Los primeros modelos comenzarán a comercializarse en 2015

¿ Son los drones actuales inteligentes ?

Para poder discutir correctamente la pregunta planteada debemos establecer una definición sobre inteligencia.

Podemos utilizar la definición dada por Norvig & Russell, autores de uno de los libros más utilizados en el área de Inteligencia Artificial.

Un agente inteligente es un sistema autónomo que recibe señales de su entorno por medio de sensores, siendo capaz de tomar decisiones correctas ante escenarios cambiantes con el fin de conseguir realizar una tarea determinada.

Aspecto extra a considerar: Aprendizaje

INTELIGENCIA ARTIFICIAL E INTELIGENCIA COMPUTACIONAL

Redes neuronales artificiales

Modelos de computación que tratan de emular el funcionamiento del cerebro

Las redes de neuronas artificiales son modelos computacionales paralelos que constan de unidades de proceso (neuronas)

adaptativas y masivamente interconectadas.

Son, por tanto, procesadores distribuidos masivamente en paralelo para almacenar conocimiento experimental y hacerlo

disponible para su uso.

Muchos procesadores 1 CPU

Computación distribuida Computación en serie

Aprendizaje a través de la experiencia Programación

Cálculo matemático, Problemas en los cuales conocemos el Algoritmo

Problemas que no conocemos una solución algorítmica exacta (Tenemos datos del problema)

Redes Neuronales Artificiales Computadoras tradicionales (Máquina de Von neumann)

Aplicaciones en control y operación de drones

Tarjetas FPGA

Micro- controladores Arduino

Implementación de métodos supervisados de redes neuronales:

•  Algoritmo constructivo de redes neuronales C-Mantec

Control de vuelo inteligente

Módulo de reconocimiento de imágenes: aplicaciones en vigilancia de edificios

•  Algoritmo de retro-propagación de errores

Tarjetas FPGA : Circuitos reprogramables utilizados como prototipos de chips. Aplicaciones en telecomunicaciones y en sistemas de control en tiempo real.

FPGA

Dado su íntrinseco paralelismo están siendo muy utilizadas en aplicaciones neuronales.

F. Ortega-Zamorano, J.M. Jerez, and L. Franco. FPGA implementation of the C-Mantec Constructive Neural Network Algorithm. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 10, pp. 1154-1161 (2014).

Neurobotics

Modem prototyping Infrastructure monitoring

FPGA: Field Programmable Gate Array

Microprocesadores Arduino

•  Bajo coste •  Bajo consumo •  Hardware libre •  Fácil programación •  Conectividad modular

Poder de cómputo limitado

Permite conectar diferentes sensores y programar diferentes operaciones

La capacidad de cómputo de las tarjetas FPGA es mayor, aunque su programación es mucho más compleja, tienen un consumo más elevado y son más costosas.

ArduPilot - Arduino Compatible UAV Controller w/ ATMega328

Drones y aplicaciones

Programar un vuelo alrededor de un edificio para reconocer y fotografiar grietas, daños, imperfecciones.

Sistema de reconocimiento de imágenes no-supervisado + supervisado.

Hexo+

Phenox es un drone pequeño, interactivo y programable. Utiliza un sistema de auto-control inteligente para mantenerse estable de forma autónoma. Analizar el sistema de vuelo para incorporar modificaciones de acuerdo a la experiencia.

Phenox

Drones made in Málaga

Preguntas ?

CONCLUSIONES

Estamos viviendo un verdadero boom en el desarrollo y aplicación de drones, siendo diversas las aplicaciones en las que pueden utilizarse y sin duda empezaremos a acostumbrarnos a ver en nuestra vida cotidiana la aparición de drones.

Irán surgiendo drones con ciertas capacidades inteligentes que permitirán automatizar funciones de vigilancia y reconocimiento, y de control del mismo drone, y en este sentido la inteligencia computacional es una de las ramas candidatas a utilizarse.

Los kits de desarrollo basados en herramientas “open source” permitirán explorar diferentes algoritmos “inteligentes” en la medida que la capacidad de cómputo de los procesadores lo permitan.

Otros temas actuales de relevancia

Vuelos colectivos

Comunicación encriptada para evitar hackeos

Raspberry pi

7 de Agosto de 2014 Truenorth chip Un millón de neuronas

Baterías solares

Diseño modificable

Muchas Gracias !

Preguntas ?