Evaluación de algoritmos de control de cobertura multi-agente dentro del ecosistema Robotat para futuras aplicaciones de medición de contaminación en cuerpos de agua

Abstract

El objetivo principal de este trabajo fue implementar, contrastar y validar algoritmos de control de cobertura multi-agente básicos para redes de sensores móviles. Utilizando como inspiración la contaminación en el lago de Atitlán, se planteó una problemática de control de cobertura para censar y monitorear un área de trabajo. Como primer paso para encontrar una solución, se realizó una investigación de distintos algoritmos de control de cobertura multi-agente. Se seleccionó uno basado en diagramas de Voronoi debido a su robustez para el control de cobertura, adaptibilidad a sistemas dinámicos y capacidad para implementar puntos de concentración. Una vez nalizado esto, se prosiguió con el desarrollo de un entorno de simu lación simple pero representativo, el cual utilizó Matlab como su lenguaje de programación. Este entorno permitió ajustar distintos parámetros, logrando simular hasta 1,000 agentes sin problemas, convergiendo a partir de los 8 agentes y modelando diferentes escenarios según las necesidades del área de trabajo. Luego, se llevó esta solución al ecosistema Robotat, utilizando robots Pololu 3PI+. Se calibró e implementó un controlador PID de acercamiento exponencial que permitió a los agentes alcanzar sus posiciones objetivo con un margen de error de posición del 10 %. Posteriormente, se incorporaron puntos de concentración para imitar los focos de contaminación por cianobacterias. Estos puntos fueron modelados como gradientes de decaimiento exponencial, de manera que las zonas más críticas son priorizadas por los agentes sin que se descuide la cobertura general. Finalmente, el algoritmo fue simulado sobre una proyección del lago de Atitlán. Se simularon varios puntos de concentración y el movimiento de 20 agentes iniciando desde posiciones aleatorias, observándose cómo se distribuían, asignándose al menos un agente por foco de contaminación y manteniéndose la cobertura en áreas no contaminadas. Este trabajo crea una base sólida para una futura implementación en cuerpos de agua. No obstante, es relevante que se investiguen distintas plataformas robóticas y protocolos de comunicación que sean capaces de funcionar bajo las condiciones más extremas vistas en cuerpos de agua.

The primary goal of this project was to implement, analyze, and validate fundamental multi-agent coverage control algorithms for mobile sensor networks. Inspired by the issue of pollution in Lake Atitlán, the study addressed a coverage control problem aimed at surveying and monitoring a designated area. The initial step involved researching various multi-agent coverage control algorithms. A Voronoi-based approach was selected due to its robustness in coverage control, adap tability to dynamic systems, and ability to implement concentration points. Following this, a simple yet representative simulation environment was developed using MATLAB as the programming platform. This simulation environment allowed ne-tuning of various para meters and successfully simulated up to 1,000 agents, with convergence beginning at eight agents. Di erent scenarios were modeled to meet the speci c needs of the target area. The solution was then implemented in the Robotat ecosystem using Pololu 3PI+ robots. A PID controller with exponential convergence was calibrated and applied, enabling agents to reach their target positions with a position error margin of 10 %. Concentration points were later introduced to simulate cyanobacteria contamination hotspots. These points were modeled as exponential decay gradients, prioritizing critical zones while maintaining overall area coverage. Finally, the algorithm was simulated on a projection of Lake Atitlán. Several concentration points were modeled alongside the movement of 20 agents starting from random positions. The simulation demonstrated how agents distributed themselves efectively, with at least one agent assigned to each contamination hotspot while ensuring coverage of un contaminated areas. This work provides a strong foundation for future implementations in aquatic environments. However, further research is needed into robotic platforms and communication pro tocols that can operate under the extreme conditions commonly found in bodie