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Academic Year/course: 2021/22

615 - Máster Universitario en Robótica, Gráficos y Visión por Computador / Robotics, Graphics and Computer Vision

69160 - Multirobot Systems


Syllabus Information

Academic Year:
2021/22
Subject:
69160 - Multirobot Systems
Faculty / School:
110 - Escuela de Ingeniería y Arquitectura
Degree:
615 - Máster Universitario en Robótica, Gráficos y Visión por Computador / Robotics, Graphics and Computer Vision
ECTS:
3.0
Year:
1
Semester:
Second semester
Subject Type:
Optional
Module:
---

1. General information

1.1. Aims of the course

The subject and its expected results are associated to the following approaches and objectives:

The objective of the course is to train students in the key aspects related to multi-robot systems and their applications in different contexts. This requires approaching the discipline from different levels:

  • The fundamentals related to the classification of the different types of multi-robot systems, the associated problems, and the conceptual framework and tools to work with these systems are studied.
  • Techniques and algorithms that allow working with multi-robot systems are presented. The development and implementation of these algorithms requires studying and practicing techniques and programming languages.
  • Different case studies and application examples of multi-robot systems are analyzed.
  • Finally, the development of applications in the context of multi-robot systems is addressed.

After completing their formation, students are intended to achieve competences related to the analysis, design and programming of multi-robot systems.

These approaches and objectives are aligned with some of the Sustainable Development Goals, SDG, of the 2030 Agenda (https://www.un.org/sustainabledevelopment/es/) and certain specific goals, in such a way that the acquisition of the Learning outcomes of the subject provides training and competence to the student to contribute to a certain extent to their achievement:

  • Goal 9. Industry, Innovation and Infrastructures
    • Target 9.4 By 2030, modernize infrastructure and reconvert industries so that they are sustainable, using resources more efficiently and promoting the adoption of clean and environmentally sound industrial technologies and processes, and ensuring that all countries take measures in accordance with their respective capabilities
    • Target 9.5 Increase scientific research and improve the technological capacity of industrial sectors in all countries, particularly developing countries, including by fostering innovation and significantly increasing, by 2030, the number of people working in research and development per million inhabitants and the spending of the public and private sectors in research and development.

1.2. Context and importance of this course in the degree

Multirobot Systems is an optional subject of 3 ECTS credits of the Master's Degree in Robotics, Graphics and Computer Vision from the University of Zaragoza. The contents of this subject are framed within the subject of Advanced Topics in Robotics.

In this subject, general concepts of multi-robot systems are presented, addressing theoretical aspects, implementation and their practical application. Compulsory subjects of "Autonomous Robots" and "Computer Vision" have been taken in the previous semester, which introduce some of the basic principles used in this subject. In this course, students learn to analyze and design multi-robot systems, understanding the significance and advantages of systems made up of multiple robots in various applications, as well as their potential in different fields.

1.3. Recommendations to take this course

It is advisable to have successfully completed the subjects of Autonomous Robots and Computer Vision, and to have solid skills and knowledge of mathematics and programming.

This course is recommended for students interested in robotics and multi-robot systems. These topics are fundamental and of great importance today, with a wide range of applications related to both industrial automation and research. In this course, a global perspective of the problems associated with multi-robot applications is offered, and the knowledge of modeling, analysis, design and implementation of robotic applications is deepened.

The study and continued work, from the first day of the course, are essential in order to successfully advance and follow the course. It is important to solve any doubts that may arise as soon as possible, by contacting with the teacher, both during classes and during the office hours assigned to it.

2. Learning goals

2.1. Competences

Basic and general competences:

  • CB6 – To possess and understand knowledge that provides a basis or opportunity to be original in the development and / or application of ideas, often in a research context.
  • CB7 - That students know how to apply the acquired knowledge and ability to solve problems in new or little-known settings within broader (or multidisciplinary) contexts related to their area of ​​study.
  • CB9 - That students know how to communicate their conclusions and the latest knowledge and reasons that support them to specialized and non-specialized audiences in a clear and unambiguous way.
  • CB10 - That students possess the learning skills that allow them to continue studying in a way that will have to be largely self-directed or autonomous.
  • CG01 – Acquisition of advanced and demonstrated knowledge, in a context of scientific and technological research or highly specialized, a detailed and well-founded understanding of the theoretical and practical aspects and of the working methodology in the fields of Robotics, Graphics and / or Computer Vision, allowing them to be innovative in a context of research, development and innovation.
  • CG09 - Ability to use the techniques, skills and tools of Engineering necessary for solving problems of the Robotics, Graphics and / or Computer Vision fields.
  • CG10 - Ability to understand, relate to the state of the art and critically evaluate scientific publications in the fields of Robotics, Graphics and / or Computer Vision.
  • CG11 - Ability to manage and use bibliography, documentation, databases, software and hardware specific to the fields of Robotics, Graphics and / or Computer Vision.

Specific competences:

  • CE04 - Ability to conceive, design and develop software, products and systems in the field of Robotics

2.2. Learning goals

The student must be able to:

  • Know the specific challenges and problems in the context of multi-robot systems.
  • Know and apply advanced techniques in the context of multi-robot systems.
  • Understand and evaluate the impact of applications in advanced robotics.
  • Identify the problems under investigation for which there are no known solutions in the field of robotics.
  • Have a practical knowledge of the above aspects.
  • Present the proposed technical and / or scientific results, synthesizing the main ideas.
  • Evaluate relevant bibliographic sources.

2.3. Importance of learning goals

Multi-robot systems have a growing application in a wide range of contexts, including industrial automation, cooperative logistics and transport, cooperative monitoring of environments or facilities, or exploration and rescue, among others. The presence of several robots working in a coordinated way introduces a series of important improvements. Parallel execution allows better use of resources, reducing execution times in tasks that are inherently distributed. The presence of several robots introduces greater robustness to failures due to redundancy. The use of multi-robot systems allows tasks that would not be possible with a single team member to be carried out. On the other hand, having multi-robot systems requires addressing the specific problems related to the assignment of tasks, coordination between robots, communications between them, and cooperative decision-making. The knowledge acquired in this subject is of great importance, since it allows students to have an approach to these type of systems, and to the fundamental tools to work with them and to design applications in these contexts. This subject also allows student to consolidate and get a deeper knowledge of concepts related to perception, robotics and control.

3. Assessment (1st and 2nd call)

3.1. Assessment tasks (description of tasks, marking system and assessment criteria)

Students must demonstrate that they have achieved the expected learning outcomes through the following assessment activities:

In accordance with the regulations of the University of Zaragoza, the evaluation of this subject is established as Global Type. In each call, the evaluation will comprise a single test:

Assessment of Practical Work (100%): Graded between 0 and 10 points. The objective of this test is to evaluate the knowledge and skills acquired during the development of a case study that requires putting all the learning results into play.

4. Methodology, learning tasks, syllabus and resources

4.1. Methodological overview

The teaching-learning process will be carried out through:

  • Lectures (explanation of contents)
  • Problems and cases (examples and practical cases with active participation of the students, and autonomous practical work of the students, supervised by the teachers)
  • Lab sessions (students solve the practical exercises proposed, supervised by the teachers)
  • Practical research or application work (learning activities, supervised by teachers, to be carried out throughout the semester).
  • Autonomous work (personal study by the students, during the semester).

4.2. Learning tasks

The program offered to the students to help them achieve the expected results includes the following activities ...

  1. Lectures (10 hours)
  2. Solution of problems and cases (5 hours)
  3. Lab sessions (5 hours)
  4. Practical research or application work (40 hours, including the necessary tutorials during development)
  5. Autonomous work and evaluation (15 hours, including tutorials)

4.3. Syllabus

  • Introduction
  • Classification of multi-robot systems
  • Conceptual framework and classic models
  • Fundamentals and applications
  • Case studies (related to topics that include: Connectivity maintenance and rendezvous, Search, Reconnaissance and Mapping in Search and Rescue Scenarios, Deployment, Formation Control, Boundary Estimation and Tracking, Robot Swarms, Mobile Sensor Networks, Cooperative Manipulation and Transport, Task Allocation)
  • Examples of recent results

4.4. Course planning and calendar

The lectures will follow the schedule established by the center, and published on its website. Please refer to the EINA website (http://eina.unizar.es).

The detailed description and timetable of the various activities, tutorials, and additional information and documentation on the subject, will be published at http://moodle.unizar.es/

The global schedule is as follows:

- A single two-hour class session is scheduled each week. The content of each session will be devoted to the mentioned activities (lecture, problem solving and cases, lab sessions, practical work or practical research), announcing it in advance.

4.5. Bibliography and recommended resources

Basic bibliography:

  1. Siciliano, Bruno, and Oussama Khatib, eds. Springer handbook of robotics. Springer, (ed. 2016). Capítulos 40, y 41. https://www.springer.com/gp/book/9783319325507
  2. Ren, Wei, and Randal W. Beard. Distributed consensus in multi-vehicle cooperative control. Vol. 27. No. 2. London: Springer London, 2008. https://www.springer.com/gp/book/9780857291684
  3. Mesbahi, Mehran, and Magnus Egerstedt. Graph Theoretic Methods in Multiagent Networks. PRINCETON; OXFORD: Princeton University Press, 2010. www.jstor.org/stable/j.ctt1287k9b Accessed July 10, 2020. doi:10.2307/j.ctt1287k9b.
  4. Ren, Wei, and Yongcan Cao. Distributed coordination of multi-agent networks: emergent problems, models, and issues. Springer Science & Business Media, 2010. https://www.springer.com/gp/book/9780857291684
  5. Fei Chen and Wei Ren (2019), "On the Control of Multi-Agent Systems: A Survey", Foundations and Trends® in Systems and Control: Vol. 6: No. 4, pp 339-499. http://dx.doi.org/10.1561/2600000019

Supplementary bibliography:

  1. Bullo, Francesco, Jorge Cortes, and Sonia Martinez. Distributed control of robotic networks: a mathematical approach to motion coordination algorithms. Vol. 27. Princeton University Press, 2009. Accesible en abierto: http://coordinationbook.info/index.html

Bibliogaphy at UZ:

http://biblos.unizar.es/br/br_citas.php?codigo=69160&year=2020


Curso Académico: 2021/22

615 - Máster Universitario en Robótica, Gráficos y Visión por Computador / Robotics, Graphics and Computer Vision

69160 - Multirobot Systems


Información del Plan Docente

Año académico:
2021/22
Asignatura:
69160 - Multirobot Systems
Centro académico:
110 - Escuela de Ingeniería y Arquitectura
Titulación:
615 - Máster Universitario en Robótica, Gráficos y Visión por Computador / Robotics, Graphics and Computer Vision
Créditos:
3.0
Curso:
1
Periodo de impartición:
Segundo semestre
Clase de asignatura:
Optativa
Materia:
---

1. Información Básica

1.1. Objetivos de la asignatura

La asignatura y sus resultados previstos responden a los siguientes planteamientos y objetivos:

El objetivo de la asignatura es formar al alumno en los aspectos claves relativos a los sistemas multi-robot y sus aplicaciones en diferentes contextos. Ello requiere abordar la disciplina desde diferentes niveles:

  • Se estudian los fundamentos relacionados con la clasificación de los diferentes tipos de sistemas multi-robot, la problemática asociada, y el marco conceptual y herramientas para trabajar con estos sistemas.
  • Se presentan técnicas y algoritmos que permiten trabajar con sistemas multi-robot. El desarrollo e implementación de algoritmos requiere estudiar y practicar técnicas y lenguajes de programación.
  • Se analizan diferentes casos de estudio y ejemplos de aplicación de sistemas multi-robot.
  • Finalmente se aborda el desarrollo de aplicaciones en el contexto de sistemas multi-robot.

Se pretende conseguir que tras superar la asignatura el alumnado tenga la suficiente competencia para el análisis, diseño y programación de sistemas multi-robot.

Estos planteamientos y objetivos están alineados con algunos de los Objetivos de Desarrollo Sostenible, ODS, de la Agenda 2030 (https://www.un.org/sustainabledevelopment/es/) y determinadas metas concretas, de tal manera que la adquisición de los resultados de aprendizaje de la asignatura proporciona capacitación y competencia al estudiante para contribuir en cierta medida a su logro:

  • ODS 9. Industria, Innovación e Infraestructuras
    • Meta 9.4 De aquí a 2030, modernizar la infraestructura y reconvertir las industrias para que sean sostenibles, utilizando los recursos con mayor eficacia y promoviendo la adopción de tecnologías y procesos industriales limpios y ambientalmente racionales, y logrando que todos los países tomen medidas de acuerdo con sus capacidades respectivas
    • Meta 9.5 Aumentar la investigación científica y mejorar la capacidad tecnológica de los sectores industriales de todos los países, en particular los países en desarrollo, entre otras cosas fomentando la innovación y aumentando considerablemente, de aquí a 2030, el número de personas que trabajan en investigación y desarrollo por millón de habitantes y los gastos de los sectores público y privado en investigación y desarrollo.

1.2. Contexto y sentido de la asignatura en la titulación

Multirobot Systems es una asignatura optativa de 3 créditos ECTS del Máster Universitario en Robotics, Graphics and Computer Vision por la Universidad de Zaragoza. Los contenidos de esta asignatura se enmarcan dentro de la materia de Advanced Topics in Robotics.

En esta asignatura se presentan conceptos generales de sistemas multi-robot, abordando aspectos teóricos, de implementación y de su aplicación práctica. Se han cursado en el semestre anterior asignaturas obligatorias de “Autonomous Robots” y “Computer Vision”, que introducen algunos de los principios básicos utilizados en esta asignatura. Se aprende en esta asignatura a analizar y diseñar sistemas multi-robot, comprendiendo la transcendencia y ventajas de los sistemas compuestos por múltiples robots en diversas aplicaciones así como su potencial en diferentes ámbitos.



1.3. Recomendaciones para cursar la asignatura

Por razones pedagógicas y de contenidos es recomendable haber cursado con aprovechamiento las asignaturas de Autonomous Robots y Computer Vision, y disponer de destrezas y conocimientos sólidos de matemáticas y programación. 

Se recomienda esta asignatura a los estudiantes interesados en la robótica y en los sistemas multi-robot. Estos temas son fundamentales y de gran importancia en la actualidad, con un amplio abanico de aplicaciones relacionadas tanto con la automatización industrial como con la investigación. En esta asignatura, se ofrece una perspectiva global de la problemática asociada a las aplicaciones multi-robot, y se profundiza en los conocimientos de modelado, análisis, diseño e implementación de aplicaciones robóticas.

El estudio y trabajo continuado, desde el primer día del curso, son fundamentales para superar con el máximo aprovechamiento la asignatura. Es importante resolver cuanto antes las dudas que puedan surgir, para lo cual el estudiante cuenta con la asistencia del profesor, tanto durante las clases como en las horas de tutoría destinadas a ello.

2. Competencias y resultados de aprendizaje

2.1. Competencias

Básicas y generales:

  • CB6 - Poseer y comprender conocimientos que aporten una base u oportunidad de ser originales en el desarrollo y/o aplicación de ideas, a menudo en un contexto de investigación.
  • CB7 - Que los estudiantes sepan aplicar los conocimientos adquiridos y su capacidad de resolución de problemas en entornos nuevos o poco conocidos dentro de contextos más amplios (o multidisciplinares) relacionados con su área de estudio.
  • CB9 - Que los estudiantes sepan comunicar sus conclusiones y los conocimientos y razones últimas que las sustentan a públicos especializados y no especializados de un modo claro y sin ambigüedades
  • CB10 - Que los estudiantes posean las habilidades de aprendizaje que les permitan continuar estudiando de un modo que habrá de ser en gran medida autodirigido o autónomo.
  • CG01 - Haber adquirido conocimientos avanzados y demostrado, en un contexto de investigación científica y tecnológica o altamente especializado, una comprensión detallada y fundamentada de los aspectos teóricos y prácticos y de la metodología de trabajo en los ámbitos de la Robótica, Gráficos y/o Visión por Computador, que les permitan ser innovadores en un contexto de investigación, desarrollo e innovación.
  • CG09 - Capacidad para usar las técnicas, habilidades y herramientas de la Ingeniería necesarias para la resolución de problemas de los ámbitos de la Robótica, Gráficos y Visión por Computador.
  • CG10 - Capacidad para comprender, relacionar con el estado del arte y evaluar críticamente publicaciones científicas en los ámbitos de la Robótica, Gráficos y/o Visión por Computador.
  • CG11 - Capacidad para gestionar y utilizar bibliografía, documentación, bases de datos, software y hardware específicos de los ámbitos de la Robótica, Gráficos y/o Visión por Computador.

Específicas:

  • CE04 - Capacidad para concebir, diseñar y desarrollar software, productos y sistemas en el ámbito de la robótica.





2.2. Resultados de aprendizaje

El alumno deberá ser capaz de:

  • Conocer los retos y problemas específicos en el contexto de sistemas multi-robot.
  • Conocer y aplicar técnicas avanzadas en el contexto de sistemas multi-robot.
  • Comprender y evaluar el impacto de aplicaciones en robótica avanzada.
  • Identificar los problemas objeto de investigación para los cuales no existen soluciones conocidas en el ámbito de la robótica.
  • Tener un conocimiento práctico de los aspectos anteriores.
  • Presentar de forma sintética los resultados técnicos y/o científicos propuestos.
  • Evaluar las fuentes bibliográficas relevantes.

2.3. Importancia de los resultados de aprendizaje

Los sistemas multi-robot tienen una creciente aplicación en un amplio abanico de contextos, que incluyen la automatización industrial, la logística y transporte cooperativo, la monitorización cooperativa de entornos o instalaciones, o la exploración y rescate, entre otros. La presencia de varios robots trabajando de forma coordinada introduce una serie de importantes mejoras. La ejecución paralela permite un mejor aprovechamiento de los recursos, reduciendo los tiempos de ejecución en tareas que son inherentemente distribuidas. La presencia de varios robots introduce una mayor robustez ante fallos debido a la redundancia. El uso de sistemas multi-robot permite llevar a cabo tareas que no serían posibles con un único miembro del equipo. Por otra parte, contar con sistemas multi-robot requiere abordar la problemática específica relacionada con la asignación de tareas, la coordinación entre los robots, las comunicaciones entre los mismos, y toma de decisiones de forma cooperativa.  Los conocimientos adquiridos en esta asignatura son de gran importancia, ya que permiten tener una aproximación a este tipo de sistemas, a las herramientas para trabajar y diseñar aplicaciones en estos contextos, y permiten afianzar y profundizar en conceptos relacionados con la percepción, la robótica y el control. 



3. Evaluación

3.1. Tipo de pruebas y su valor sobre la nota final y criterios de evaluación para cada prueba

El estudiante deberá demostrar que ha alcanzado los resultados de aprendizaje previstos mediante las siguientes actividades de evaluación:

De acuerdo con la normativa de la Universidad de Zaragoza la evaluación de esta asignatura se establece como de Tipo global. En cada convocatoria, la evaluación comprenderá una única prueba:

Evaluación del Trabajo Práctico (100%): Calificado entre 0 y 10 puntos. El objetivo de esta prueba es evaluar los conocimientos y destrezas adquiridos durante el desarrollo de un caso de estudio que requiere poner en juego todos los resultados de aprendizaje.

4. Metodología, actividades de aprendizaje, programa y recursos

4.1. Presentación metodológica general

El proceso de enseñanza-aprendizaje se llevará a cabo a través de: 

  • Clases magistrales (exposición de contenidos)
  • Resolución de problemas y casos (ejemplos y casos prácticos con participación activa de los estudiantes, y trabajo práctico autónomo de los estudiantes, tutelados por los profesores)
  • Prácticas de laboratorio (realización de ejercicios prácticos planteados, supervisados por los profesores)
  • Trabajos de aplicación o investigación prácticos (actividades de aprendizaje, tutelado por los profesores, a realizar a lo largo del semestre).
  • Estudio (estudio personal continuado por parte de los alumnos).

4.2. Actividades de aprendizaje

El programa que se ofrece al estudiante para ayudarle a lograr los resultados previstos comprende las siguientes actividades...

  1. Clases magistrales (10 horas)
  2. Resolución de problemas y casos (5 horas)
  3. Prácticas de laboratorio (5 horas)
  4. Trabajos de aplicación o investigación prácticos (40 horas, incluidas las tutorías necesarias durante el desarrollo)
  5. Estudio personal y evaluación (15 horas, incluidas tutorías)

4.3. Programa

  • Introducción
  • Clasificación de sistemas multi-robot
  • Marco conceptual y modelos clásicos
  • Fundamentos y aplicaciones
  • Casos de estudio (relacionados con temáticas que incluyen: Connectivity maintenance and rendezvous, Search, Reconnaissance and Mapping in Search and Rescue Scenarios, Deployment, Formation Control, Boundary Estimation and Tracking, Robot Swarms, Mobile Sensor Networks, Cooperative Manipulation and Transport, Task Allocation)
  • Ejemplos de resultados recientes

4.4. Planificación de las actividades de aprendizaje y calendario de fechas clave

Las clases magistrales se imparten según horario establecido por el centro, y publicado en su web. La relación y fecha de las diversas actividades y tutorías, junto con todo tipo de información y documentación sobre la asignatura, se publicará en http://moodle.unizar.es/ 

A título orientativo:

- Cada semana hay programada una única sesión de dos horas de clase. El contenido de cada sesión, se dedicará a las actividades mencionadas (clase magistral, resolución de problemas y casos, prácticas de laboratorio, trabajos de aplicación o investigación prácticos), anunciándolo con antelación.



4.5. Bibliografía y recursos recomendados

Bibliografía básica:

  1. Siciliano, Bruno, and Oussama Khatib, eds. Springer handbook of robotics. Springer, (ed. 2016). Capítulos 40, y 41. https://www.springer.com/gp/book/9783319325507
  2. Ren, Wei, and Randal W. Beard. Distributed consensus in multi-vehicle cooperative control. Vol. 27. No. 2. London: Springer London, 2008. https://www.springer.com/gp/book/9780857291684
  3. Mesbahi, Mehran, and Magnus Egerstedt. Graph Theoretic Methods in Multiagent Networks. PRINCETON; OXFORD: Princeton University Press, 2010. www.jstor.org/stable/j.ctt1287k9b Accessed July 10, 2020. doi:10.2307/j.ctt1287k9b.
  4. Ren, Wei, and Yongcan Cao. Distributed coordination of multi-agent networks: emergent problems, models, and issues. Springer Science & Business Media, 2010. https://www.springer.com/gp/book/9780857291684
  5. Fei Chen and Wei Ren (2019), "On the Control of Multi-Agent Systems: A Survey", Foundations and Trends® in Systems and Control: Vol. 6: No. 4, pp 339-499. http://dx.doi.org/10.1561/2600000019

Bibloigrafía complementaria:

  1. Bullo, Francesco, Jorge Cortes, and Sonia Martinez. Distributed control of robotic networks: a mathematical approach to motion coordination algorithms. Vol. 27. Princeton University Press, 2009. Accesible en abierto: http://coordinationbook.info/index.html

Bibliografía en UZ:

http://biblos.unizar.es/br/br_citas.php?codigo=69160&year=2020