Introducción
La bibliografía relevante para este trabajo puede organizarse en tres grandes áreas: marcos y herramientas de ROS 2 para sistemas multirrobot, cajas de herramientas específicas de determinados ámbitos y herramientas basadas en motores de videojuegos y realidad mixta para robótica.
Cuando los despliegues reales son costosos, arriesgados o difíciles de realizar, la simulación de alta fidelidad ofrece un complemento eficaz a los experimentos físicos. Los entornos basados en Unity se han integrado con ROS para permitir la teleoperación inmersiva, la simulación realista de robots móviles y marcos de validación de realidad mixta o gemelos digitales. Sin embargo, hasta donde sabemos, ninguno de estos enfoques ofrece un kit de herramientas de ROS 2 y Unity diseñado específicamente para la gestión de flotas en realidad mixta de robots móviles autónomos que ejecutan algoritmos distribuidos de coordinación.
Interfaz basada en Unity para la percepción virtual y las simulaciones de realidad mixta
Unity es una plataforma versátil de desarrollo 3D para crear simulaciones y visualizaciones realistas, por lo que resulta adecuada para virtualizar entornos destinados a sistemas multirrobot. Sus motores gráfico y físico permiten desarrollar entornos dinámicos e interactivos en los que los robots pueden desplazarse e interactuar con objetos en tiempo real.
En conjunto, estas herramientas permiten utilizar Unity como una interfaz interactiva de simulación de alta fidelidad, mientras ROS gestiona procesos robóticos del backend, como el tratamiento de datos de sensores, la planificación de trayectorias y los algoritmos de control. Esta configuración permite a Unity simular entornos complejos y comportamientos robóticos bajo el control de ROS, lo que aumenta el realismo y la utilidad de las pruebas y la validación virtuales en sistemas multirrobot.
La interfaz basada en Unity se centra en dos capacidades principales:
- Generación dinámica de entornos paramétricos.
- Integración de modelos de robots y sensores virtuales para experimentos basados en ROS 2.
Experimentos de realidad mixta
En el experimento, el robot Jackal se comunica con la estación de trabajo mediante el protocolo de publicación-suscripción de ROS 2 a través de una red Wi-Fi estándar de 5 GHz. Los experimentos reales y virtuales están contenerizados con Docker y se ejecutan en Ubuntu 24.04.
La estación de trabajo está equipada con un procesador AMD Ryzen 7 7800X3D y una GPU Nvidia GeForce RTX 5090. Se utiliza la versión Jazzy Jalisco de ROS 2, mientras que Unity corresponde a la versión 6000.0.74f1.
Durante los experimentos de realidad mixta, el sistema de captura de movimiento Vicon proporciona las poses de los robots —posición y orientación—. Una segunda estación de trabajo, equipada con un procesador Intel i9-9900K y Windows 11, ejecuta Vicon Tracker 3.10.
Escenario 1: asignación dinámica de tareas en entornos interiores virtuales con obstáculos
En este escenario, los robots deben realizar de forma cooperativa y distribuida un conjunto de tareas que evoluciona dinámicamente, aprovechando sus capacidades de comunicación. Esta configuración puede modelarse como un problema de asignación dinámica de tareas, un conocido problema de optimización combinatoria en sistemas multirrobot.
El sistema de gestión basado en optimización se encarga del problema de optimización distribuida. Una vez que cada robot determina la tarea que tiene asignada, el sistema de control y navegación de cada robot gestiona la planificación y la ejecución de la tarea.
Una tarea se considera completada cuando el robot llega a una ubicación concreta de la instalación. Como ocurre en las aplicaciones reales, el problema de asignación es dinámico: se introducen nuevas tareas a medida que se completan las anteriores. Por ello, los robots deben volver a optimizar continuamente sus planes locales y adaptarlos en respuesta a los nuevos datos.
Los experimentos muestran a los robots atendiendo tareas en distintos entornos. En el experimento virtual, un robot se desplaza por el entorno de Unity, cartografía sus alrededores y evita colisiones con obstáculos y otros robots. El vídeo del experimento está disponible como material suplementario.
Escenario 2: robot real en un entorno virtual
El Jackal se desplaza por el mundo real mientras percibe el entorno virtual. Para poner de relieve la interconexión de realidad mixta demostrada en este experimento, se encomienda al robot alcanzar una serie de poses objetivo dentro del entorno virtual, en presencia de obstáculos virtuales.
Preguntas frecuentes
¿Cuál es el objetivo del kit de herramientas de ROS 2 y Unity? Permite gestionar en realidad mixta flotas de robots móviles autónomos que ejecutan algoritmos distribuidos de coordinación.
¿Por qué se utiliza Unity en el kit de herramientas? Unity ofrece simulación y visualización 3D realistas mediante motores interactivos de gráficos y física.
¿Cómo se comunica el Jackal con la estación de trabajo? El Jackal utiliza el protocolo de publicación-suscripción de ROS 2 a través de una red Wi-Fi estándar de 5 GHz.
¿Qué ocurre en el segundo escenario de realidad mixta? Un Jackal real se desplaza mientras percibe un entorno virtual y alcanza poses objetivo entre obstáculos virtuales.