nn-usb-fpga/course/.docs/book/problem.tex

\section{Definici\'on del problema }

\section{Introducci<EFBFBD>n}
Uno de los objetivos principales del presente trabajo es la realizaci<63>n de actividades que ayude al pa<70>s en su desarrollo tecnol<6F>gico; en la actualidad Colombia es un consumidor de tecnolog<6F>a, es decir, busca en el exterior soluciones a sus problemas, en la mayor<6F>a de las ocasiones, estas soluciones no se ajustan a los requerimientos, ya que no tienen en cuenta la situaci<63>n pol<6F>tica, cultural y social del pa<70>s. En la mayor<6F>a de los casos, no se aumenta el conocimiento tecnol<6F>gicos del pa<70>s, y reduce las opciones de negocios para las empresas locales a representantes de ventas o suministro de sevicios de mantenimiento.

Este esquema es nocivo para la industria Colombiana, ya que no existen mecanismos que permita su desarrollo, protegi<67>ndola de alguna forma frente a los productos for<6F>neos. Esto unido a las politicas de estado encaminadas a la apertura comercial, en donde los productos nacionales compiten con productos de paises con mayor desarrollo tecnol<6F>gico nos llevar<61> a la eliminaci<63>n total de la industrias Colombianas. A continuaci<63>n se presenta un res<65>men del estudio realizado por Hector Mart<72>nez sobre la Apropiaci<63>n del conocimiento en Colombia \cite{Mar04} durante los a<>os 1991 a 2000.

En la actualidad Colombia atraviesa por una $''$\textit{\textit{crisis}}$''$ a
nivel de dise<73>o de sistemas digitales, existe un atraso muy grande en esta
\'area; a mi modo de ver existen dos grandes responsables de esta situaci\'on.
Por un lado, las pol\'{\i}ticas de la mayor\'{\i}a de las industrias al no
realizar inversi\'on de capital en sus departamentos de I+D; algunas de ellas
ni siquiera cuentan con este departamento. Por otro lado, las Universidades no
cuentan con programas actualizados que permitan explotar los avances
realizados en las industrias electr\'onica y de semiconductores; en un gran
n\'umero de Universidades Colombianas a\'un se trabaja con dispositivos de
funci\'on fija como las familias 74 y 40. Los lenguajes de descripci\'on de
hardware han sido adoptados recientemente en la mayor\'{\i}a de programas de
ingenier\'{\i}a electr\'onica, pero en algunos casos no existe una base
metodol\'ogica que soporte su adecuada utilizaci\'on. La disponibilidad de
dispositivos l\'ogicos programables (FPGAs, CPLDs) es limitada debido a la
inexistencia de un proveedor local. Se dedican cursos completos para
$''$ense<EFBFBD>ar$''$ a programar microprocesadores de 8 bits en lenguaje
ensamblador y muchos educadores a\'un miran con desconfianza a los lenguajes
de alto nivel como el C, C++ o UML. En muy pocos programas de Ingenier\'{\i}a
Electr\'onica no se cuenta con una asignatura dedicada a sistemas operativos y
en muchos de ellos no se le da la importancia que tiene la ense<73>anza de
lenguajes estructurados.

La situaci\'on se agrava a\'un m\'as al ver el estado de la relaci\'on entre
la universidad y la industria, la cual no existe en algunos casos. Desde el
punto de vista industrial los resultados obtenidos en la academia parten de
entornos ideales y no se tienen en cuenta las caracter\'{\i}sticas de los
entornos industriales, lo cual da como resultado sistemas poco robustos y con
problemas funcionales. Por otro lado, los tiempos de desarrollos son muy
largos ya que la mayor\'{\i}a de las universidades Colombianas no se cuenta
con grupos de investigaci\'on cuyos miembros se encuentren dedicados de forma
exclusiva al desarrollo de este tipo de proyectos, la mayor\'{\i}a \ de los
miembros de estos grupos son temporales (estudiantes de pregrado) y sin paga,
lo cual no garantiza el cumplimiento ni la continuidad de las investigaciones.

\subsection{Apropiaci<EFBFBD>n de Conocimiento}
  
Para que Colombia deje de ser un pa<70>s que consume tecnolog<6F>a y llegue en alg<6C>n momento a ser generador de productos tecnol<6F>gicos, es necesario que se genere un conocimiento que permita esta transici<63>n. ``Para que el conocimiento sea motor de desarrollo es necesario el traspaso desde sus creadores a la sociedad, mediante la conversi<73>n a tecnolog<6F>as que produzcan cambios radicales que incrementen la producci<63>n. Esa transmisi<73>n de tecnolog<6F>a generadora de crecimiento econ<6F>mico esta influenciada por diversos factores: medio geogr<67>fico, leyes de propiedad industrial, costos laborales, nivel de ciencia y tecnolog<6F>a, religi<67>n, tipos de instituciones, resistencia a innovar, pol<6F>ticas de estado, guerras, factores demogr<67>ficos, entre otros'' \cite{Mok90}
 
Pero como apropiar este conocimiento? Arrow \cite{Arr62} afirma que la apropicaci<63>n de conocimiento puede efectuarse de varias formas: ``aprender haciendo'', ``aprender usando'', ``aprender leyendo''. Cuando una empresa decide transmitir su conocimiento disponible, lo hace en procesos de investigaciones conjuntas, en actividades de producci<63>n, y distribuci<63>n, mercadeo, servicio y soporte operativo o riesgo compartido.                    Tambi<62>n se presentan alianzas entre firmas como: contratos de I+D, acuerdos de licencias, licencias cruzadas. La conformaci<63>n de estas asociaciones permite crear redes tecnol<6F>gicas dominadas por pa<70>ses industrializados con sus respectivas empresas multinacionales monopolizando conocimiento \cite{Mar04}
 
Para Colombia, el problema radica en que mediante contratos de importaci<63>n de tecnolog<6F>a, las empresas de capital nacional no est<73>n adquiriendo el conocimiento necesario para lograr innovaciones al interior de las mismas. De forma que puedan ser competitivas y logren acceder a mercados internacionales ofreciendo productos innovadores, de calidad y a precios competitivos. Con efectos directos como: generaci<63>n de empleos especializados, desarrollo tecnol<6F>gico e industrial sostenido, ampliaci<63>n del acervo de conocimiento nacional y disminuci<63>n de la salida de divisas (al mejorar los procesos de negociaci<63>n) y creaci<63>n de externalidades positivas \cite{Mar04}.
 
Ligado al problema de la senda tecnol<6F>gica est<73> el del grado de lo t<>cito del conocimiento cient<6E>fico. Teece \cite{Tee81} se<73>ala que al existir conocimiento t<>cito toda la tecnolog<6F>a disponible no se transfiere de los productores a los receptores o compradores de la misma. Por tanto, los pa<70>ses seguidores siempre van a estar a la zaga tecnol<6F>gica. Forbes y Wield \cite{FW00} se<73>alan que los esfuerzos adaptativos son mayores porque deben acomodar las ``innovaciones'' a los materiales locales, fuerza laboral nativa, mercados internos y medio ambiente local. Entonces, el problema no se limita a c<>mo transferir conocimiento, c<>mo develar su parte t<>cita y c<>mo extraerlo de las multinacionales, sino que radica en el bajo poder de negociaci<63>n y adquisici<63>n de tecnolog<6F>a por firmas peque<75>as y medianas, las cuales carecen de recursos y tienen procesos deficientes de contrataci<63>n.
 
En este orden de ideas, si el pa<70>s no es un innovador neto <20>no deber<65>a m<>s bien mostrar una tendencia a importar conocimiento? Y las firmas nacionales <20>no deber<65>an ser las que m<>s efectuaran este tipo de contratos, para as<61> acceder al conocimiento de la tecnolog<6F>a adquirida? En resumen, conociendo mejor qu<71> tecnolog<6F>a se importa y qu<71> tipos de contratos se utilizan, es posible crear marcos de referencia para empresas nacionales que est<73>n interesadas en adquirir tecnolog<6F>a. Esto producir<69>a externalidades positivas en empresas importadoras de conocimiento y, a su vez, en la econom<6F>a del pa<70>s. Con una adecuada importaci<63>n de conocimientos tecnol<6F>gicos se crear<61>a una ventaja competitiva de car<61>cter estructural, basada en un acervo de conocimiento tecnol<6F>gico que permita incrementar la productividad en todos los sectores econ<6F>micos de manera permanente \cite{Mar04}.
 
Seg<EFBFBD>n los estudios realizados por Mart<72>nez, con base en registros del Decreto 259/92, del Incomex. La importaci<63>n de conocimiento no est<73> siendo empleada con el prop<6F>sito de utilizar tecnolog<6F>as de punta que permitan efectuar innovaciones al interior de las empresas y de los sectores. Las empresas nacionales se limitan a comprar un determinado dispositivo, sin tener el conocimiento para operarlo, hacerle mantenimiento ni mucho menos mejorarlo, por lo que se ven obligadas a contratar con el vendedor contratos para dicho f<>n. Esto indica que la adquisici<63>n de tecnolog<6F>a no se realiza con base en programa desarrollado de antemano, sino son una respuesta a cambios en el mercado, lo cual evidencia la inexistencia de programas de innovaci<63>n encaminados a la disminuci<63>n de la brecha tecnol<6F>gica.
 
\subsubsection{Situaci<EFBFBD>n de la Industria Electr<74>nica en Colombia}
 
La industria electr<74>nica nacional no es ajena a las pol<6F>ticas que siguen las empresas nacionales en cuanto a la apropiaci<63>n de tecnolog<6F>a; Colombia depende totalmente de econom<6F>as m<>s desarrolladas para el suministro de dispositivos electr<74>nicos en diversas areas (comunicaciones, entretenimiento, industria, medicina, etc). Mientras en otros sectores de la econom<6F>a han pasado de ser consumidores a exportadores, y adquieren nuevas tecnolog<6F>as para ser m<>s competitivos, el sector electr<74>nico del pa<70>s ha reducido sus actividades de Investigaci<63>n y Desarrollo hasta el punto de depender totalmente de productos externos unos de baja calidad y que no suplen los requerimientos del mercado local, pero que son muy econ<6F>micos.
 
En la actualidad la industria electr<74>nica presenta una gran din<69>mica a nivel mundial, el uso de los sistemas electr<74>nicos se extiende a todas las actividades humanas; La demanda mundial de este tipo de sistemas aumentar<61> de forma dram<61>tica en los pr<70>ximos a<>os, especialmente en los sectores de tecnolog<6F>a m<>dica, movilidad, seguridad, comunicaciones y consumo \cite{ETPoSSI(09}. El mercado de los sistemas embebidos es una industria que movi<76> alrededor de 25 billones de d<>lares en el 2008 seg<65>n Venture Development Corporation \cite{Vc08}. Por otro lado, la inversi<73>n de capital necesaria para el dise<73>o de Sistemas Embebidos es relativamente baja, gracias a la gran demanda originada, los insumos y los servicios de fabricaci<63>n son muy econ<6F>micos, por otro lado, las herramientas de desarrollo necesarias para la programaci<63>n y depuraci<63>n de este tipo de sistemas son de libre distribuci<63>n.  


Desafortunadamente en Colombia la industria electr<74>nica se encuentra muy rezagada en relaci<63>n a las de los pa<70>ses industrializados, y las ventajas y oportunidades de negocios mencionadas anteriormente no son aprovechadas en la actualidad. 


Seg<EFBFBD>n ASESEL \footnote{Asociaci<EFBFBD>n de entidades del Sector Electr<74>nico} en el 2001 exist<73>an 154 empresas productoras de componentes y equipos de la cadena electr<74>nica. Dentro de los productos que la industria electr<74>nica exporta se encuentran registrados: Circuitos integrados, circuitos impresos, microestructuras, instrumentos para medida y control, Instrumentos y aparatos el<65>ctricos o electr<74>nicos. Es importante decir que la industria colombiana, en la actualidad no fabrica circuitos integrados, ni microestructuras, por lo que estas son ventas de productos comprados en pa<70>ses desarrollados. Seg<65>n Proexport el 91\% de las exportaciones son realizadas por Bogot<6F> y los destinos se encuentran en pa<70>ses cercanos como Venezuela, Per<65>, Ecuador y USA. 

La electr<74>nica en Colombia y en el mundo hace parte de esas industrias que se mueven velozmente en un
camino desconocido, como consecuencia se hace necesario tener una actualizaci<63>n constante de los
avances tecnol<6F>gicos y las proyecciones futuras del sector. Debido a la importancia del sector tecnol<6F>gico es primordial que en Colombia se est<73> consciente del estado actual y que se puede hacer en t<>rminos de
Investigaci<EFBFBD>n Cient<6E>fica y Desarrollo Tecnol<6F>gico (I+D) en Ingenier<65>a Electr<74>nica.

Un estudio realizado en la Universidad Nacional de Colombia \cite{MTRR07} identific<69> los siguientes obst<73>culos para el desarrollo de la industria electr<74>nica en Colombia: Deficientes relaciones Universidad Empresa, Pobre enfoque acad<61>mico hacia la industria, Calidad de los productos nacionales, pol<6F>ticas gubernamentales, falta de cultura de Investigaci<63>n y Reducida apropiaci<63>n tecnol<6F>gica, competencia de pa<70>ses asi<73>ticos, atraso tecnol<6F>gico, limitado recurso humano con formaci<63>n avanzada.

De los problemas expuestos anteriormente podemos identificar cuales son los que m<>s afectan el desarrollo de la industria electr<74>nica en Colombia, el que m<>s perjudica sin lugar a dudas es el atraso tecnol<6F>gico, no es posible ser competitivo en el mercado electr<74>nico mundial con tecnolog<6F>as y metodolog<6F>as de dise<73>o obsoletas, en Colombia trabajamos a<>n con circuitos integrados que se crearon en la decada de los 80 del siglo pasado y utilizamos lenguajes de programaci<63>n como el assembler, para el cual el tiempo de aprendizaje, desarrollo y de depuraci<63>n es muy largo. La culpa de este atraso tecnol<6F>gico no es exclusiva de la induatria, aunque, como vimos anteriormente muchas industrial Colombianas se resisten al cambio y prefieren comprar equipos en el exterior a buscarlos localmente, la falta de confiabilidad en los productos Colombianos agrava este problema, esta falta de confianza en la industria local no es infundada, la mayor<6F>a de los productos Colombianos no cumplen con las normas m<>nimas de calidad y utilizan productos de bajo costo obtenidos en remates de componetes.

Otro actor que contribuye al retraso tecnol<6F>gico es el sector acad<61>mico; seg<65>n el Sistema Nacional de Informaci<63>n Superior, durante los <20>ltimos 10 a<>os se han abierto 230 programas relacionados con la industria electr<74>nica, estos programas est<73>n repartidos entre programas de formaci<63>n Universitaria, tecnol<6F>gica terminal y de t<>cnica profesional, la mayor<6F>a de estos centros de formaci<63>n se encuentran ubicados en 3 Departamentos: Bogot<6F>, Antioquia y Valle \cite{DZSC+07}. El n<>mero de Ingenieros graduados en un a<>o es entre 2 y 8 veces mayor que en los pa<70>ses en v<>a de desarrollo y doce veces mayor que los que se grad<61>an en los pa<70>ses desarrollados, en Colombia, este aumento es aportado por instituciones de poca consolidaci<63>n. Adem<65>s las preferencias en la educaci<63>n superior son Formaci<63>n t<>cnica / form. tecnol<6F>gica / form. profesional que es justamente lo opuesto a la de los pa<70>ses desarrollados \cite{MDAG99}.

Por otro lado, el contenido de las asignaturas relacionadas directamente con la industria electr<74>nica se encuentran muy desactualizados, y fuera del contexto mundial, se utilizan metodolog<6F>as de dise<73>o antiguas en las que primaba la experiencia del dise<73>ador, se realizan tareas manuales, repetitivas que pueden ser realizadas por herramientas de dise<73>o moderno, los curr<72>culos son conservadores hay poca experimentaci<63>n y su estructuraci<63>n y metodolog<6F>as son muy cl<63>sicas. Otro problema adicional radica en la falta de experiencia en el sector productivo por parte del personal acad<61>mico, un componente importante de los profesores nunca han sido parte de un proceso productivo o de un proceso de desarrollo que tenga como f<>n la creaci<63>n de un producto comercial, raz<61>n por la cual se evita la experimentaci<63>n y se da m<>s <20>nfasis al an<61>lisis y solo se llega a una simulaci<63>n. 

De lo anterior podemos concluir que en Colombia se presenta una sobre-oferta de profesionales en el <20>rea electr<74>nica, muchos de los cuales provienen de instituciones educativas con poca consolidaci<63>n, y que han sido formados con programas desactualizados que no tienen en cuenta los avances tecnol<6F>gicos y metodol<6F>gicos, lo cual explica la pobreza de ingenieros con altos niveles de formaci<63>n. Por esta raz<61>n no es de extra<72>ar la poca confianza que tienen los industriales en los productos nacionales.

Lo anterior unido a la falta de pol<6F>ticas de estado que: tracen normas encaminadas a incentivar la inversi<73>n en investigaci<63>n y desarrollo, defina l<>neas y campos de investigaci<63>n, regulaci<63>n de la oferta laboral, regulaci<63>n de los programas acad<61>micos, generan el clima perfecto para que el atraso tecnol<6F>gico se mantenga durante mucho tiempo y Colombia no deje de ser un consumidor de tecnolog<6F>a.


\subsubsection{Pasos a seguir para iniciar la soluci<63>n al problema de atraso tecnol<6F>gico}

Estudios consultados \cite{MDAG99} \cite{DZSC+07} \cite{MTRR07} \cite{Mar04}, coinciden en que para dar soluci<63>n a los problemas expuestos anteriormente se deben seguir las siguientes recomendaciones:

Al gobierno:

\begin{itemize}
   \item Fomento gubernamental de centros de investigaci<63>n y productividad para fortalecer la relaciones universidad empresa.
   \item Fomentar cooperaci<63>n internacional e inversi<73>n extranjera con transferencia de tecnolog<6F>a. a nivel gubernamental, Apoyo del gobierno a personas que tienen un alto potencial de crear y desarrollar tecnolog<6F>a.
   \item Definir agendas de investigaci<63>n acordes con las tendencias mundiales y desarrollar capacidades en el pa<70>s.
\end{itemize}

A los centros de Ense<73>anza:
\begin{itemize}
   \item Creaci<63>n de portafolio de servicios.
   \item Realizar seminarios y l<>neas de profundizaci<63>n de temas afines a la administraci<63>n y la gerencia en empresas de base tecnol<6F>gica.
   \item Montar laboratorios de pruebas e incentivar los productores nacionales para que logren una calidad que cumpla con los est<73>ndares internacionales.
   \item Infraestructura institucional que impulse la actualizaci<63>n tecnol<6F>gica en el sector mediante desarrollo de proyectos de tecnolog<6F>a de punta con una posible transferencia de tecnolog<6F>a.
   \item Incentivar la formaci<63>n de maestr<74>as y doctorados nacionales acorde con una agenda de investigaci<63>n.
   \item Realizaci<63>n de proyectos de aplicaci<63>n.
   \item El contacto con las empresas no debe ser encargada <20>nicamente a los estudiantes, la Universidad debe desarrollar las competencias que la empresa requiere.
   \item Interacci<63>n entre Universidades, Conviene que buena parte de los trabajos realizados en doctorado sean de investigaci<63>n aplicada, orientadas a mejorar la productividad del sector empresarial 
   \item Innovaci<63>n curricular, actualizaci<63>n continua de profesionales.
   \item Las facultades de Ingenier<65>a deben acompa<70>ar las demandas que surgen del sector productivo.
   \item Necesidad de mejorar las competencias y habilidades generales de los ingenieros, (continuo aprendizaje) habilidad para innovar, investigar, desarrollar nueva tecnolog<6F>a.   
\end{itemize}



\subsubsection{Estado de la Electr<74>nica Digital en la Universidad Nacional de Colombia}

Hasta hace un a<>o en las asignaturas del <20>rea de electr<74>nica digital de la Universidad Nacional de Colombia (La Universidad m<>s grande e importante del pais), se trabajaba con dispositivos que fueron sacados al mercado en 1966 y 1968, las familia l<>gica TTL 7400 y CMOS 4000. El problema principal al utilizar esta tecnolog<6F>a no es su a<>o de creaci<63>n, ni siquiera que en la actualidad se consideren obsoletas para el dise<73>o de un sistema digital completo. \footnote{En la actualidad estas compuertas se utilizan para la implementaci<63>n de peque<75>as operaciones l<>gicas} El problema detr<74>s del uso de esta tecnolog<6F>a se encuentra en la ausencia total de metodolog<6F>as de dise<73>o (en el caso Colombiano). Y el desconocimiento en herramientas tipo CAD. El proceso de dise<73>o que realizaban los estudiantes era:

\begin{enumerate}
  \item Especificaciones del sistema.
  \item Generaci<63>n manual de ecuaciones boolenas.
  \item Minimizaci<63>n manual utilizando mapas de Karnaugh.
  \item Implementaci<63>n de las ecuaciones minimizadas utilizando las familias l<>gicas 7400 y 4000, sobre placas de pruebas (protoboards, breadboards)
  \item Pruebas del sistema.
\end{enumerate}

A manera de ejercicio acad<61>mico se justifica el uso de las familias 7400 y 4000, sin embargo, el quedarse ahi no es bueno para una industria electr<74>nica desactualizada, debido a que este tipo de implementaciones no pueden generar productos competitivos a nivel mundial. La raz<61>n de esto es que existen muchas fuentes de error en el proceso, generados por la ausencia de herramientas CAD que realizan las operaciones tediosas como las minimizaci<63>n de ecuaciones booleanas, las cuales est<73>n sujetas a errores humanos originados por cansancio, falta de concentraci<63>n, etc. Otro aspecto que vale la pena resaltar es la falta de ua simulaci<63>n funcional, la mayor<6F>a de los estudiantes consultados no realizaban simulaciones funcionales y prefer<65>an probar el dise<73>o una vez implementado f<>sicamente, esto unido a la dificultad de depuraci<63>n innata a este tipo de implementaciones, aumentaba considerablemente el tiempo requerido para realizar las pruebas al sistema.

A los problemas mencionados anteriormente se suma la gran cantidad de circuitos integrados necesarios para implementar un sistema sencillo, se observaron hasta 8 placas de pruebas con cerca de 50 circuitos integrados interconectados entre s<>, lo cual aumenta las posibles causas de error y aumenta el tiempo de desarrollo en forma considerable.


En el segundo curso del <20>rea de electr<74>nica digital, se introduce al estudiante al uso de los dispositivos l<>gicos programables (PLD) y los lenguajes de descripci<63>n de hardware (HDL) como herramientas para el dise<73>o de sistemas digitales, al comienzo, el contenido de estos cursos se limitaba al uso de una herramienta de dise<73>o y la ense<73>anza de nociones b<>sicas del lenguaje VHDL, se daba m<>s importancia al uso de la herramienta y no a la metodolog<6F>a de dise<73>o, de nuevo el estudiante ataca los problemas sin una metodolog<6F>a de dise<73>o clara. Vale la pena indicar que este curso fue dictado por profesores ocasionales durante los <20>ltimos cuatro a<>os, cada profesor utilizaba contenidos y niveles de exigencia diferentes.

En la tercera parte del curso se trabaja con sistemas microcontrolados, se utilizan microcontroladores de 8 bits de diferentes familias y se utiliza el lenguaje ensamblador como herramienta de desarrollo. Una de las principales desventajas que presenta este curso (y de la l<>nea en general) es la falta de continuidad en los contenidos y en la metodolog<6F>a utilizada, ya que el contenido de este curso se encuentra totalmente desligado al de los dos anteriores. Sin embargo, durante este curso se proporciona una metodolog<6F>a de dise<73>o en la que los estudiantes emulan el comportamiento del microcontrolador antes de ser programado, sin embargo, esta pr<70>ctica no es seguida por la mayor<6F>a de los estudiantes, una posible causa de este comportamiento puede ser la falta de metodolog<6F>as de dise<73>o en los cursos anteriores.

La sensaci<63>n que queda al terminar el <20>rea de electr<74>nica digital es que lo <20>nico que importa son los microcontroladores y que lo visto en los primeros cursos no es muy <20>til. La siguiente tabla muestra los problemas encontrados en el <20>rea de electr<74>nica digital de las carreras de Ingenier<65>a El<45>ctrica y Electr<74>nica de la Universidad Nacional de Colombia:

\begin{enumerate}
  \item Falta de una metodolog<6F>a de dise<73>o.
  \item Utilizaci<63>n de herramientas obsoletas: Familias L<>gicas, lenguajes de programaci<63>n.
  \item Poco uso de las herramientas CAD.
  \item Falta de continuidad en las asignaturas.
  \item Falta de docentes.
  \item No se suministra una formaci<63>n adecuada que ayude a la industria electronica a salir del retraso tecnol<6F>gico.
\end{enumerate}



\begin{enumerate}
  
  \item Estudio de sistemas y algoritmos bio-inspirados: Algoritmos
  Gen\'eticos (GA), Sistema Inmune Artificial (AIS), Hardware Evolutivo (EHW),
  Chips de ADN, Aut\'omatas Celulares (CA), entre otros. el cu\'al ha
  producido las siguientes publicaciones \cite{JSCC04c},\cite{JSCC04},\cite{JSCC03},\cite{JSCC04b}:
  \begin{itemize}
    \item J. Sep\'ulveda and C. Camargo. Implementaci\'on de un
    Sistema InmuneArtificial sobre un FPGA para Reconocimiento de Patrones.
    \textit{Memorias del X WorkShop de Iberchip}, 2004.
    
    \item J. Sep\'ulveda, C. Camargo, and A. Delgado. El Problema
    SAT: Enfoque Comparativo con ADN y FPGA. \textit{Memorias del
    IX Workshop de Iberchip}, 2003.
    
    \item J. Sep\'ulveda, C. Camargo, and A. Delgado.
    Implementaci\'on de Chip de ADN en FPGA. \textit{Memorias del X Workshop de Iberchip}, 2004.
    
    \item J. Sep\'ulveda, C. Camargo, and S. Bolivar.
    Metodolog\'{\i}a de Implementaci\'on de Aut\'omatas Celulares
    en FPGA. \textit{Memorias del X Workshop de Iberchip}, 2004.
  \end{itemize}
  \item Estudio del proyecto Embrionics, implementaci\'on de un arreglo de
  c\'elulas en una FPGA; como resultado se obtuvo el siguiente art\'{\i}culo
  {\cite{JEFS05}}:
  \begin{itemize}
    \item J. Espinosa, C. Camargo, and F. Segura. Evoluci\'on de un
    Arreglo de C\'elulas Utilizando Algoritmos Gen\'eticos.
    \textit{Memorias del XI Workshop de Iberchip}, 2005.
  \end{itemize}
  
  
  \item Estudio del proyecto Amorphous Computing.
  
  
  
  \item Investigaci\'on en nuevas tecnolog\'{\i}as y en metodolog\'{\i}as de
  dise<73>o de sistemas digitales:
  \begin{enumerate}
    \item Implementaci\'on de aplicaciones de Sistemas Embebidos utilizando
    herramientas GNU y el sistema operativo de libre distribuci\'on
    eCos{\footnote{http://sources.redhat.com/ecos}}, sobre un procesador ARM
    (AT91 de Atmel y GameBoy Advance de Nintendo); como parte de este estudio
    se publicaron los art\'{\i}culos {\cite{CC05}}, {\cite{FPFS+05}}:
    \begin{itemize}
      \item C. Camargo. Implementaci\'on de Sistemas Digitales
      Complejos Utilizando Sistemas Embebidos. \textit{Memorias
      del XI Workshop de Iberchip}, 2005.
      
      \item F. Pedraza, C. Camargo, F. Segura, and A. Gauthier.
      Control Adaptativo Embebido. \textit{Memorias
      del XI workshop de Iberchip}, 2005.
    \end{itemize}
    \item Implementaci\'on de aplicaciones linux sobre una FPGA Spartan 3 de
    Xilinx, utilizando el procesador microblaze de Xilinx.
    
    \item Implementaci\'on de aplicaciones Java sobre una JVM implementada en
    hardware{\footnote{http://www.jopdesign.com}} sobre una FPGA Spartan 3 de
    Xilinx.
    
    \item Desarrollo de aplicaciones sobre el sistema operativo linux
    utilizando el SoC de Sharp LH79520.
    
    \item Desarrollo de plataformas de desarrollo para FPGAs, SoC y
    Procesadores ARM.
    
  \end{enumerate}
  \item Construcci\'on de la plataforma rob\'otica y desarrollo de Software y
  Hardware para su funcionamiento:
  \begin{itemize}
    \item C. Camargo ECBOT: Arquitectura Abierta para Robots M\'obiles.
    \textit{IEEE CWCAS'07 Noviembre Bogot\'a - Colombia.}
  \end{itemize}
\end{enumerate}



































\chapter{Paradigmas para la inteligencia Ubicua}

\section{Trabajo Previo}
En esta secci<63>n realizaremos una revisi<73>n de los trabajos realizados en las <20>reas relacionadas con auto-organizaci<63>n con implementaciones Hardware.....

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% AUTO - ORGANIZACION
\subsection{Auto-Organizaci<63>n}

Trabajos en Auto-Organizaci<63>n han sido desarrollados en muchos campos, Por ejemplo, en \cite{SOQX04} utilizan un protocolo de auto-organizaci<63>n para optimizar la energ<72>a de una red de sensores inal<61>mbricos, proporcionar adaptabilidad (en tama<6D>o, topolog<6F>a y densidad) a la infraestructura de comunicaciones y permite comunicaciones multi-hop

Las t<>cnicas para modelamiento de sistemas complejos se pueden dividir en aproximaciones \cite{JLXJ}:
\begin{itemize}
 \item Top-Down: Comienza con una descripci<63>n de alto nivel del sistema y utiliza herramientas como ecuaciones diferenciales. Trata cada parte del sistema complejo de forma gen<65>rica y es efectivo modelando casos promedio, donde la diferencia de comportamiento de los individuos puede ser ignorada. Sin embargo, esta aproximaci<63>n no puede ser utilizada en todos los casos. Por ejemplo, las ecuaciones diferenciales no pueden modelar de forma precisa, la din<69>mica y el comportamiento emergente de algunos de los sistemas biol<6F>gicos (la distribuci<63>n de anticuerpos en el sistema inmunol<6F>gico humano tiende a ser heterog<6F>neo)
\item Bottom-Up: Comienza con una descripci<63>n de la entidad m<>s peque<75>a del sistema complejo y modela su funcionamiento de la siguiente forma:
  \begin{itemize}
    \item Aut<75>nomo: Los elementos del sistema son individuos racionales que act<63>an de forma independiente.
    \item Emergente: Exhiben comportamientos complejos que no estan presentes o son predefinidos en el funcionamiento de las unidades aut<75>nomas.
    \item Adaptativo: Modifican su comportamiento ante cambios en el entorno donde estan localizados.
    \item Auto-Organizado: Son capaces de organizar los elementos para alcanzar los funcionamientos anteriormente mencionados.
  \end{itemize}

\end{itemize}
 

Autonomy-Oriented Computing (AOC) \cite{JLXJ} es una aproximaci<63>n bottom-up que intenta resolver problemas computacionales de alto grado de dificultad o caracterizar el funcionamiento de sistemas complejos basado en la observaci<63>n de la naturaleza, los pasos para construir un modelo AOC son:

\begin{enumerate}
 \item Observar el comportamiento macrosc<73>pico del sistema natural
 \item Dise<73>ar las entidades funcionamiento deseado asi como el entorno donde residen dichas entidades.
 \item Observar el comportamiento macrosc<73>pico del sistema artificial.
 \item Validar el comporatmiento del sistema artificial con su contraparte natural.
 \item Modificar el dise<73>o obtenido en 2) de acuerdo a los resultados obtenidos en 4)
 \item Repetir 3) y 5) hasta encontrar el comportamiento deseado.
 \item Encontrar un modelo de 1) en t<>rminos de 2).
\end{enumerate}

\subsection{Auto-Organizaci<63>n de sensores}
\cite{KPJZ} 


El CEBOT \cite{TUTF} esta conformado por un gran n<>mero de unidades rob<6F>ticas aut<75>nomas, llamadas cel<65>las, cada una con capaz de realizar una funci<63>n simple. CEBOT permite configurar de forma din<69>mica la estructura del SW y HW con el f<>n de realizar una determminada funci<63>n o ante cambios en el entorno, esta reconfiguraci<63>n se logra modificando la interacci<63>n entre las c<>lulas. En este trabajo el comportamiento cooperativo se define como un comportamiento de la c<>lula para generar la configuraci<63>n estructural.



\section{Coordinaci<EFBFBD>n basada en el comportamiento de un sistema multi-robot\cite{JaMJM05}}

\subsection{Arquitecturas de control de robots}

\subsubsection{Control de un robot}
Aca se define el control de un robot como el proceso de mapear la informaci<63>n obtenida por los sensores del mismo en acciones en el mundo real. las aproximaciones para controlar un robot pueden describirse como un espectro que va desde el control deliberativo al reactivo.

La aproximaci<63>n deliberativa es computacionalmente intensiva, ya que utiliza razonamiento o planeaci<63>n expl<70>cita utilizando una representaci<63>n simb<6D>lica y modelos del mundo \cite{RK95}. Para que el proceso de razonamiento sea efectivo, se requiere que los modelos del mundo sean completos y precisos. En dominios donde dicho modelo es difi<66>cil de obtener, por ejemplo, en entornos din<69>micos y de r<>pido cambio o en situaciones donde exista una gran incertidumbre sobre los sensores y acciones de los robots, puede ser imposible para un robot actuar de forma adecuada utilizando este tipo de control.

En contraste al control deliberativo, el reactivo se caracteriza por tener un fuerte acople entre el sensado y la acci<63>n, donde t<>picamente no existe ning<6E>n tipo de razonamiento\cite{BC86}\cite{Bro91}. El control reactivo no requiere la creaci<63>n o el mantenimiento de modelos del mundo, ya que no se basa en procesos de razonamientos complejos utilizados en el control deliberativo. En lugar de esto, utilizan m<>todos que involucran una cantidad mpinima de computaci<63>n, representaci<63>n interna o cinicimiento del mundo. Esto hace al control reactivo adecuado para entornos din<69>micos,  donde tener un modelo del mismo no es muy realista. A<>n mejor, la baja necesidad computacional permite a los sistemas reactivos responder de forma adecuada a din<69>micas de cambios r<>pidos.

El control h<>brido se encuentra localizado entre el control deliberativo y reactivo, en el cual un controlador posee componentes reactivos y deliberativos. EL control reactivo maneja tareas de control a bajo nivel que requieren una respuesta r<>pida, tal como evaci<63>n local de obst<73>culos. La parte deliberativa del control maneja tareas de alto nivel saobre una mayor escala de tiempo, tales como planeaci<63>n de camino (path planning). Adicionalmente el control hibrido debe tener una tercera capa que realice la interfaz entre el componente reactivo y el deliberativo. Esta arquitectura de tres capas pretende extraer lo mejor del control reactivo en t<>rminos de control din<69>mico y tiempo de respuesta y lo mejor lo mejor de los controladores deliberativos en la forma de acciones globales eficientes sobre una gran escala de tiempo. Sin embargo existen asuntos complejos que involucrados en la interfaz de estos dos componentes fundamentalmente distintos y la forma en la cual su funcionalidad puede ser particionada no es muy clara a<>n.


\subsection{Control Basado en el Comportamiento (BB)}

La aproximaci<63>n BB para el control de robots no puede ser clasificada como reactiva o deliberativa, ya que puede ser, y en mucho casos son, las dos. Sin embargo, el control BB se identifica m<>s con el control reactivo del espectro de control, porque se presta una gran atenci<63>n en mantener una estrecha realaci<63>n entre sensado y acci<63>n. \cite{Con92} \cite{Gat98}

Fundamentalmente un Controlador Basado en el Comportamiento esta compuesto por un grupo de componentes modulares,llamados \textit{funcionamientos}, los cuales, son ejecutados en paralelo. Un \textit{funcionamiento} es una ley de control que agrupa una serie de restricciones con el f<>n de alcanzar y mantener una meta.\cite{Mat97}\cite{Ark88}

Cada funcionamiento recibe entradas desde los sensores y/o otros funcionamientos y proporciona salidas los actudores del robot o a otros funcionamientos.

Los actuadores pueden compartir entradas de sensores y enviar comandos de salida a los mismos actuadores. El escoger una determinada acci<63>n ante m<>ltiples entradas de sensores y funcionamientos secibe el nombre de \textit{Selecci<EFBFBD>n de acci<63>n}\cite{Pir00}. Uno de los mecanimos mejor conocidos para selecci<63>n de acci<63>n es el uso de una jerarqu<71>a de funcionamiento predefinida, como la \textit{Subsumption Architecture \cite{Bro86}}, en la cual, los comandos de los funcionamientos activos de mayor-rango son enviados al actuador y los otros son ignorados. 


Los sistemas BB son variados, pero existem dos principios fundamentales a los que todos los sistemas BB se adhieren inherentemente: 1) En robot posee un cuerpo f<>sico y su funcionamiento est<73> limitado por realidades fisicas, incertidumbres y consecuencias de sus acciones, todas ellas dif<69>ciles de predecir y 2) El robot est<73> imerso en un mundo real y act<63>a directamente en base a la informaci<63>n de sus sensores, no sobre una representaci<63>n abstracta o procesada del mismo.

\subsection{Desde el control de un robot a control de m<>ltiples robots}

Los Sistemas distribuidos Multi-Robot contrastan con los sistemas centralizados Multi-Robot, en los cuales, todas las acciones de un robot no son determinadas localmente, ellas deben ser determinadas por una entidad externa, tal como otro robot o por cualquier tipo de comando externo. En los sistemas multi-Robot distribuidos, cada robot debe tomar sus propias decisiones de control, bas<61>ndose <20>nicamente en la informaci<63>n de sus sensores, la cual es limitada, local y con presencia de ruido.

\subsubsection{Ventajas y Retos en los sistemas Multi-Robot}
Las potenciales ventajas de los Sistemas Multi-Robot sobre los SRS (Simple Robot System) incluyen una reducci<63>n del costo total del sistema, al utilizar robots simples y econ<6F>micos en lugar de un robot complejo y costoso. Adem<65>s, una arquitectura Multi-Robot puede aumentar la flexibilidad y robustez del sistema tomando ventaja del paralelismo y la redundancia. Asimismo, la complejidad inherente de algunos entornos de trabajo requiere el uso de una arquitectura Multi-Robot, cuando las capacidades o los requerimientos de recursos necesarios son muy grandes para ser alcanzados por un solo robot.

Sin embargo, la utilizaci<63>n de Sistemas Multi-Robot (MRS) presenta desventajas potenciales y retos adicionales que deben ser tratados para que presenten una alternativa efectiva y viable a los SRS. Un sistema MRS dise<73>ado pobremente, con robots individuales trabajando en oposici<63>n, puede ser menos efectivo que un sistema SRS dise<73>ado cuidadosamente. El reto m<>s grande en el dise<73>o de sistemas MRS efectivos es el manejo de la complejidad introducida por la interacci<63>n entre los robots. 

\subsubsection{Necesidad de Coordinaci<63>n en Sistemas Multi-Robot}
Con el f<>n de maximizar la efectividad de un MRS, las acciones de los robots deben ser espacio-temporalmente coordinadas y dirigirlas hacia el logro de una determinada tarea o un determinado objetivo a nivel de sistema. El solo hecho de tener robots interactuando entre si, no es suficiente para producir un comportamiento a nivel de sistema coordinado, interesante o pr<70>ctico. Para que la interacci<63>n de los robots produzcan funcionamientos coherentes, debe existir algun mecanismo de coordinaci<63>n que organice espacio-temporalmente las interacciones de forma apropiada para la tarea.


\subsection{Coordinaci<EFBFBD>n global a partir de interacciones locales}

Existen muchos mecanismos por los cuales se pueden organizar las interacciones. Nosotros los clasificaremos en tres  clases: Interacci<63>n a trav<61>s del entorno, interacci<63>n a trav<61>s de sensores, e interacci<63>n a trav<61>s de comunicacion. Estas clases no son mutuamente excluyentes ya que los MRS pueden y en algunos casos utilizan mecanismos simult<6C>neos de cualquiera o de las tres clases para alcanzar un funcionamieno coordinado a nivel de sistema.


\subsubsection{Interacci<EFBFBD>n por medio del entorno}

El primer mecanismo de interacci<63>n es atrav<61>s del entorno compartido de los robots. Esta forma de interacci<63>n es indirecta, ya que no existe comunicaci<63>n expl<70>cita o f<>sica entre los robots. En lugar de esto, el mismo entorno se utiliza como medio de la comunicaci<63>n indirecta.

Con el cuidadoso dise<73>o de los sensores, actuadores y las cualidades del control, es posible utilizar el concepto de 
\textit{stigmergy \cite{HM99}\footnote{\textit{Stigmergy} es un m<>todo de comunicaci<63>n indirecta en un sistema de auto-organizaci<63>n emergente, donde sus partes individuales se comunican con las otras modificando su entorno local.}} en MRS. Este poderoso mecanismo de coordinaci<63>n es muy atractivo ya que t<>picamente requiere capacidades m<>nimas de los robots individuales. Los robots no requieren comunicaci<63>n directa, solo reconocer a los otros robots o distinguirlos entre diferentes objetos en el entorno, tampoco requieren realizar razonmientos computacionales intensivos de razonamiento y planeaci<63>n.

Las acciones de construcci<63>n de un robot alteran el entorno, y por lo tanto la informaci<63>n de los sensores disponible para los otros robots. Esta nueva informaci<63>n activa acciones de construcci<63>n posteriores.

\subsubsection{Iteracci<EFBFBD>n atrav<61>s de sensores}
El segundo mecanismo para la interacci<63>n entre robots es atrav<61>s de sensores. Como se describe en \cite{CFK97}, la interacci<63>n utilizando sensores se refiere a interacciones locales que pueden ocurrir entre robots como resultado de el sensado de otro robot., pero sin comunicaci<63>n expl<70>cita. Al igual que la interacci<63>n por medio del entorno, la interacci<63>n utilizando sensores es tambi<62>n indirecta ya que no existe comunicaci<63>n expl<70>cita entre los robots; sin embargo, requiere que cada robot sea capaz de distinguir otros robots entre diferentes objetos del entorno. En algunas circunstancias, cada robot puede ser requerido para identificar a todos los dem<65>s robots, o clases de los otros robots. En otros casos, puede ser necesario distingir robots de otros objetos del entorno.

La interaci<63>n por medio de sensores puede ser usada por un robot para modelar el comportamiento de otros robots o para determinar que est<73> haciendo otro robot con el f<>n de tomar decisiones y reponder de forma adecuada. Por ejemplo, las bandadas de aves utilizan sus sensores para monitorear las acciones de otras aves en su vecindad para hecer correcciones locales a su propio movimiento. Ha sido demostrado que los resultados efectivos del grupo  a partir de relativamente simples reglas locales seguidas por cada ave respondiendo a la direcci<63>n y velocidad de los vecinos locales \cite{Rey87}.

Otros dominios en los cuales la interacci<63>n a trav<61>s de sensores han sido utilizada en MRS inclute \textit{flocking}\cite{Mat95}, en donde cada robot ajusta su movimiento de acuerdo al movimiento de los robots observados localmente. La interacci<63>n a trav<61>s de sensores tambi<62>n ha sido demostrada en el dominio de divisi<73>n adaptativa de tareas \cite{JM03}. En este dominio, cada robot cambia de forma din<69>mica las tarea que est<73> ejecutando bas<61>ndose en las acciones observadas de otros robots y la disponibilidad de tareas en el entorno.

\subsubsection{Caso de Estudio Interacci<63>n por medio de Sensores: Formaci<63>n de marcha}

La aproximaci<63>n a la formaci<63>n de marcha aca descrita fu<66> presentada en \cite{FM02}. La idea general de esta aproximaci<63>n es que cada robot en el MRS se posiciona el mismo relativamente a un robot vecino designado. Este robot vecino, a su vez, se posisiona el mismo de forma relativa a su propio robot vecino designado. Ya que todos los robots solo tienen en cuanta su posici<63>n relativa con respecto a su robot vecino, ning<6E>n robot esta, ni necesita estar pendiente de, la posici<63>n global de todos los robots en la formaci<63>n. Cada robot solo necesita ser capaz de determinar la distancia y direcci<63>n a su vecino. La geometr<74>a global de la formaci<63>n fue determinada a trav<61>s de la cadena de vecinos. La formaci<63>n puede ser cambiada de forma din<69>mica alterando la estructura de la relaci<63>n local del vecino.

\subsubsection{Interacci<EFBFBD>n por medio de comunicaci<63>n}
La comunicaci<63>n en los robots f<>sicos no es gratuita o confiable y puede ser restringida limitanfo el ancho de banda y el alcance, y la inpredecible interferencia. En los sistemas reales de robots, el rango y la confiabilidad de la comunicaci<63>n son factores de dise<73>o muy importantes \cite{GM(.I.W01}.

Existen muchos tipos de comunicaci<63>n. La comunicaci<63>n puede ser directa de un robot a otro, de un robot a una clase de robots, o difundir desde un robot a todos los dem<65>s robots. As<41> mismo, los protocolos pueden ir desde esquemas simples carentes de protocolo a esquemas complejos basados en negociaci<63>n y comunicaci<63>n intensiva. La informaci<63>n codificada en una comunicaci<63>n puede ser informaci<63>n de estado, un comando a uno o m<>s robots, una petici<63>n de informaci<63>n adicional por otros robots.

\subsubsection{Casi de estudio Interacci<63>n por medio de comunicaci<63>n: Seguimiento de m<>ltiples objetivos}

En \cite{Par97}, el objetivo es tener un grupo de robots con rangos de sensores limitados se posicionan y orientan ellos mismos de tal forma que son capaces de adquirir y seguir multiples objetos que se mueven a trav<61>s de su entorno. Las posiciones, trayectorias y numero de objetivos no se conocen a priori. Estas dificultades son compuestas en un MRS distribuido, donde el sistema debe determinar que robot(s) deben monitorear que objetivo(s). Cada robot tiene un rango limitado de sensores y comunicaci<63>n. La comunicaci<63>n fue utilizada por cada robot para transmitir la posici<63>n y velocidad de todos los objetivos dentro de su rango de sensado a los dem<65>s robots dentro de su rango de comunicaci<63>n.

Cada robot eval<61>a constantemente la importancia de su actual actividad de seguimiento y los posibles cambios de posici<63>n que podr<64>an aumentar la importancia de sus actividades de seguimiento. La comunicaci<63>n fue utilizada para permitir a cada robot mantener un mapa local de los movimientos de los objetivos dentro del rango de comunicaci<63>n pero fuera fuera de su rango de sensado. Como resultado, el grupo como un todo, pudo seguir un n<>mero m<>ximo de objetivos, con un m<>nimo n<>mero de robots.


\subsection{Dise<EFBFBD>o formal y an<61>lisis de un Sistema Multi-Robot}

El dise<73>o de los mecanismos de coordinaci<63>n para un sistema multi-robot (MRS) ha probado ser un problema dificil de resolver. En la <20>ltima d<>cada, el dise<73>o de una variedad de tales mecanismos sobre un amplio rango de dominios de aplicaci<63>n ha sido estudiado \cite{CFK97b} \cite{DJM+02}.

Las siguientes preguntas deben ser resueltas antes de poder producir r<>pida y eficientemente un MRS efectivo para una nuevo dominio:

\begin{itemize}
 \item Que tan apropiado es un determinado mecanismo de coordinaci<63>n para un dominio en particular.
 \item Que caracter<65>sticas de desempe<70>o se pueden esperar de el.
 \item Como esta relacionado con otros mecanismos de coordinaci<63>n.
 \item Como se puede modificar para aumentar el desempe<70>o del sistema.
\end{itemize}

El paradigma BB para control multi-robot es popular en MRS debido a su robustez a las interacciones din<69>micas inherentes a cualquier MRS. Un MRS representa un sistema de alta no linealidad en el cual las acciones de un robot son afectadas por las acciones de los dem<65>s rebots. Esto hace que cualquier esquema de control que se base en razonamiento o planeaci<63>n complejos no sean efectivos debido a que es muy dif<69>cil predecir de forma precisa futuros estados de un sistema MRS no trivial. Por esta raz<61>n, el control BB es utilizado frecuentemente en MRS. La simplicidad del robot individual tambien presenta una ventaja al permitir que sea posible el an<61>lisi externo para predecir el desempe<70>o del sistema.

\subsubsection{Analisis de Sistemas Multi-Robot Utilizando Modelos Macrosc<73>picos}

Los modelos macrosc<73>picos se enfocan en el funcionamiento a nivel de sistema del MRS sin considerar de forma expl<70>cita cada robot individualmente en el sistema.

Un modelo matem<65>tico macrosc<73>pico MRS ha sido demostrado en el dominio de tareas de recolecci<63>n de alimentos \cite{LG02}. El modelo fu<66> usado para estudiar los efectos de la interferencia entre robots, el resultado pudo ser utilizado para modificar el control individual de los robots o para determinar la densidad <20>ptima de robots con el f<>n de maximizar el desempe<70>o de la tarea. Un modelo anal<61>tico macrosc<73>pico ha sido aplicado para el estudio de  la din<69>mica del comportamiento colectivo en un dominio colaborativo utilizando una serie de ecuaciones diferenciales \cite{LGM+01}.

Un modelo macrosc<73>pico general para el estudio de sistemas adaptativos multi-agente fu<66> presentado en \cite{LG03} y fu<66> aplicado al an<61>lisis en el dominio de localizaci<63>n de tareas que fu<66> realizado de forma experimental en \cite{JM03}. En este trabajo los robors que forman el MRS mantienen una cantidad limitada de estados internos persistentes para representar una historia corta de eventos pasados, pero no se comunican de forma expl<70>cita con otros robots.


\subsubsection{An<EFBFBD>lisi de Sistemas Multi-Robot Utilizando Modelos Microsc<73>picos}

El modelamiento microsc<73>pico considera directamente cada robot en el sistema y puede modelar de forma individual las interacciones de un robot con otros robots y con la tarea con un detalle arbitrario, incluyendo la simulaci<63>n exacta del funcionamiento de cada robot. Sin embargo, la mayor<6F>a de las aproximaciones microsc<73>picas modelan el funcionamienro de cada robot como una serie de eventos estoc<6F>sticos. T<>picamente, el controlador del robot individual es abstraido a alg<6C>n grado y las trayectorias e interacciones no son consideradas directamente.

Una metodolog<6F>a de modelamiento microsc<73>pico probabil<69>stico para el estudio de funcionamiento colectivo en en dominio de clustering fu<66> presentado en \cite{MIM99}. El modelo fu<66> validado a trav<61>s de un acuerdo cuantitativo entre la predicci<63>n de la evoluci<63>n del tama<6D>o del cluster, con la simulaci<63>n de experimentos y con experimentos sobre robots reales. La efectividad y precisi<73>n de las t<>cnicas de modelamiento macrosc<73>pico y microsc<73>pico comparadas con los experimentos con robots reales y simulaciones se discuten en \cite{ME02}.

Un paso hacia adelante en las metodolog<6F>as para el an<61>lisis formal de un determinado dise<73>o MRS se encuentra en las metodolog<6F>as formales para la s<>ntesis de controladores MRS. La s<>ntesis es el proceso de construcci<63>n de un controlador MRS que cumple con las restricciones del dise<73>o, tales como alcanzar el nivel de desempe<70>o deseado mientras cumple las restricciones impuestas por las limitadas capacidades del robot.

Ser capaz de definir un dominio de aplicaci<63>n y tener un m<>todo formal que dise<73>e el MRS para cumplir con la tarea mientras se alcanza el criterio de desempe<70>o especificado es uno de los objetivos de largo plazo en la comunidad MRS.

Una herramienta de trabajo importante en el dise<73>o formal de MRS coordinados fu<66> el desarrollo de \textit{information invariants}, la cual intenta definir los requerimientos de informaci<63>n de una tarea dada e indica cual de estos requerimientos pueden ser alcanzados en un contolador \cite{Don95}. El concepto de \textit{information invariants}  fu<66> estudiado experimentalmente en el dominia de manipulaci<63>n distribuida de tareas \cite{DJR95} y fu<66> extendido a trav<61>s de la definici<63>n de equivalencia de clases entre definiciones de tareas y capacidades del robot para ayudar en la elecci<63>n de una clase de controlador apropiada en un dominio dado \cite{Par98}.


Otras aproximaciones alternativas a la s<>ntesis de controladores MRS pueden ser encontrados en m<>todos evolutivos \cite{Mat95} \cite{Par98b}. Tambi<62>n existen un n<>mero de entornos de dise<73>o de MRS, arquitecturas de control, y lenguajes de programaci<63>n, los cuales ayudan en el dise<73>o de MRS coordinados \cite{Mat95b} \cite{AB97} \cite{AGH+00}


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\subsection{Asignaci<EFBFBD>n d<>n<EFBFBD>mica de tareas \cite{KLCJ+0}}

En un MRS distibuido no existe un mecanismo de control centralizado, a cambio, cada robot opera de forma independiente bajo control y sensado local, con un comportamiento coordinado a nivel de sistema que resulta de las interacciones locales entre los robots y entre los robots y el entorno. El dise<73>o efectivo de un MRS coordinado est<73> restringido por la carencia de herramientas de dise<73>o y metodolog<6F>as formales. El dise<73>o de un SRS (Single Robot System) se ha visto beneficiado en gran medida por los formalismos proporcionados por la teor<6F>a de control -- el dise<73>o de MRS esta necesitando un formalismo an<61>logo.

Para que un grupo de robots realicen de forma efectiva una determinada tarea a nivel de sistema, el dise<73>ador debe hacerse la pregunta: <20>Qu<51> robot puede realizar que tarea y cuando?. La asignaci<63>n din<69>mica de tareas es una clase de asignaci<63>n de tareas en la cual, la asignaci<63>n de robots a las sub-tareas es un proceso din<69>mico y puede requerir un ajuste continuo en respuesta a cambios en el entorno de la tarea o al desempe<70>o del grupo. El problema de la asignaci<63>n de la asigaci<63>n de tareas en un MRS distribuido esta compuesto por el hecho que la asignaci<63>n debe ocurrir como resultado de un proceso distribuido ya que no existe un coordinador central para hacer estas asignaciones. Esto aumenta la complejidad del problema ya que debido al rango local de los sensores del robot, ning<6E>n robot posee una visi<73>n completa del estado del mundo. Con esta informaci<63>n incompleta y en algunos casos ruidosa, cada robot debe hacer decisiones locales de control sobre que acciones realizar y cuando, sin un conocimiento completo de que est<73>n haciendo otros robots que la hayan realizado en el pasado, o que har<61>an en el futuro \cite{KLCJ+}.

Existe un n<>mero de modelos y filosof<6F>as de asignaci<63>n de tareas. Hist<73>ricamente, la m<>s popular se basa en la coordinaci<63>n intencional para lograr la asignaci<63>n de tareas \cite{Par98b}. En esta, los robots coordinan sus respectivas acciones de forma expl<70>cita a trav<61>s de comunicaciones y negocioaciones deliberadas. Debido a problemas relacioados con la escala, dichas aproximaciones son utilizadas en MRS con un numero relativamente peque<75>o de robots (i.e. menor que 10). Este m<>todo es el preferido debido a que es el m<>s conocido, f<>cil de dise<73>ar e implementar, y m<>s adecuado para el an<61>lisis formal \cite{BPG}.

Al aumentar el tama<6D>o del MRS, la complejidad introducida al aumentar las interacciones de los robots, hace que estos sistemas sean m<>s dif<69>ciles de analizar y dise<73>ar. Esto lleva a la alternativa de coordinaci<63>n intencional, es decir, asignaci<63>n de tareas utilizando coordinaci<63>n emergente. En sistemas que utilizan la coordinaci<63>n emergente, los robots individuales coordinan sus acciones basad<61>ndose <20>nicamente en informaci<63>n local de sensores e interacciones locales. T<>picamente, existe muy poca o ninguna comunicaci<63>n directa o negociaciones expl<70>citas entre los robots. Ellos son, por lo tanto, m<>s escalables a grandes n<>meros de robots y son m<>s capaces de tomar ventaja de la robustez y paralelismo provisto por la agregaci<63>n de grandes n<>meros de robots coordinados.


\subsubsection{Trabajo relacionado}

Sugawara et al \cite{KSMS97} \cite{KSMS+} desarrollaron un modelo simple de recolecci<63>n de alimentos cooperativo en grupos de robots con y sin comunicaci<63>n. Kazadi et al. [11] \cite{SKAA02} estudi<64> la propiedad general de una agregaci<63>n multi-robot utilizando modelos mocrosc<73>picos fenomenol<6F>gicos. Agassounon y Martinoli \cite{WAAM02} presentan un modelo de agregaci<63>n en el cual el n<>mero de robots toman parte de en la tarea de clustering se basa en el mecanismo de divisi<73>n de labores de las antenas.


Estos modelos son ad-hoc y e dominio espec<65>fico, y los autores no dan explicaci<63>n de como aplicar estos modelos a otros dominios. En trabajos recientes hemos desarrollado un marco de trabajo general para crear modelos fenomenol<6F>gicos de funcionamiento colectivo en grupos de robots \cite{KLAG04} \cite{KLAM05}. 

Muchas de las aproximaciones listadas arriba est<73>n de forma impl<70>cita o expl<70>cita basadas en la teor<6F>a de procesos estoc<6F>sticos. Otro ejemplo de una aproximaci<63>n estoc<6F>stica es el modelo probabil<69>stico desarrollado por Martinoli y sus colaboradores \cite{AMPt99} \cite{AMAJI99} \cite{AJI+01} para estudiar el funcionamiento colectivo de un grupo de robots.

Muy poco trabajo ha sido desarrollado sobre an<61>lisis de sistemas multirobot en entornos din<69>micos. En \cite{KLAG03} se extiende el marco de trabajo de los procesos estoc<6F>sticos desarrollado en trabajos recientes, a robots que cambian su comportamiento bas<61>ndose en la historia de observaciones locales del (probablemente cambiante) entorno \cite{LG03}.

En \cite{BAH88} Huberman y Hogg, realizaron un estudio matem<65>tico sobre funcionamiento colectivo de sistemas de agentes adaptativos utilizando la din<69>mica de juego como un mecanismo de adaptaci<63>n. En los sistemas de din<69>mica de juegos, las estrategias ganadoras son premiadas, y los agentes utilizan las mejores estrategias para decidir su pr<70>ximo movimiento.


\subsubsection{Mecanismos de asignaci<63>n de tareas}
El esenario de asignaci<63>n de tareas din<69>mico estudiado considera un mundo poblado con tareas de \textit{T} tipos diferentes y robots que son igualmente capaces de realizar cada tarea, pero solo se les puede asignar un tipo de tarea en un momento dado. El estado de un robot es un atajo para el tipo de tarea asignada al robot. Un robot puyede cambiar su estado de acuerdoa sus pol<6F>ticas de control cuando lo determine apropiado (evitando cambios de tarea no necesarios).

El prop<6F>sito de la asignaci<63>n de tareas es asignar robots a las tareas de una forma que aumente el desempe<70>o del sistema, lo que normalmente significa reducir el tiempo total de ejecuci<63>n. Esto es, si todas las tareas toman igual cantidad de tiempo en completarse, en la mejor asignaci<63>n, la fracci<63>n de robots en el estado \textit{i} ser<65> igual a la fracci<63>n de tareas de tipo \textit{i}.  En general, sin embargo, la asignaci<63>n deseada puede tomar otras formas, -- por ejemplo, puede estar relacionada a la recompensa relativa o costo de realizaci<63>n total (completing) de cada tipo de tarea -- sin cambiar nuestra aproximaci<63>n. En el escenario de asignaci<63>n din<69>mica de tareas, el n<>mero de tareas y el n<>mero de robots disponibles pueden variar en el tiempo, por ejemplo, agragando nuevas tareas, desarrollando nuevos robots, o removiendo robots defectuosos.

El reto al que se enfrenta el dise<73>ador es divisar un mecanismoque permita una asignaci<63>n de tareas deseada en un MRS distribuido ante cambios en el entorno. Se asume que los robots son capaces de observar tareas y discriminar sus tipos. Ellos tambi<62>n son capaces de observar y discriminar los estados de las tareas de los otros robots.

Una forma de dar al robot la habilidad de responder a cambios en el entorno es dotarlo con un estado interno donde el puede almacenar su conocimiento del mundo capturado por sus observaciones \cite{CVJ03} \cite{KLAG03}.  Las observaciones son almacenadas en una lista continua c<>clica de longitud finita, donde las nuevas observaciones reemplazan las anteriores. El robot consulta estas observaciones peri<72>dicamente y actualiza su estado de acuerdo a una funci<63>n de transici<63>n especificada por el dise<73>ador \cite{LG03} \cite{CVJ03}.


\subsection{Analisis de Asignci<63>n Autom<6F>tica de Tareas}

En esta secci<63>n asumiremos que existen dos tipos de tareas, -- denominadas de forma arbitraria \textit{red} y \textit{green}. Esta simplificaci<63>n se hace con fines pedag<61>gicos, el modelo puede expandirse. Durante un intervalo de tiempo suficientemente corto, puede considerarse que cada robot permanece en la tarea Red o Green, cada tarea esta compuesta por muchas acciones y funcionamientos del robot, por ejemplo, buscando nuevas tareas, detectando y ejecut<75>ndolas, evitando obst<73>culos, etc. Sin embargo, ya que lo que se desea es modelar como evoluciona en el tiempo la fracci<63>n de robots en cada tarea, es suficiente considerar solo estos dos estados. Si encontramos que se necesitan niveles de detalle adicionales para explicar el funcionamiento del sistema podemos elaborar el modelo descomponiendo los estados de alto nivel en sus componentes.

\subsubsection{Observaci<EFBFBD>n de tareas}
En esta secci<63>n estudiaremos en mecanismo en el cual los robots hacen decisiones paea cambiar de estado de tarea bas<61>ndose <20>nicamente en la observaci<63>n de las tareas disponibles. Sean $m_{r}$ y $m_{g}$ el n<>mero de tareas Red y Green observadas, en la memoria de un robot. El robot elige cambiar su estado o el tipo de tarea a la que esta asignado, con probabilidades dadas por las funciones de transici<63>n $f_{g \to r}(m_{r}, m_{g})$ (probabilidad de cambiar a Red desde Green) y $f_{r \to g}(m_{r}, m_{g})$ (probabilidad de cambiar a Green desde Red). Se desea definir reglas de transici<63>n de tal forma que la fracci<63>n de tiempo que el robot est<73> en el estado Red (Green) sea igual a la fracci<63>n de tareas Red (Green). Esto asegura que en promedio el n<>mero de robots Red y Green refleja la distribuci<63>n de tareas deseada. Si los robots tienen conocimiento global sobre el n<>mero de tareas Red Y Green $M_{r}$ y $M_{g}$, entonces cada robot podr<64>a elegir cada estado con probabilidades igual a la fracci<63>n de las tareas del tipo correspondiente. Dicho conocimiento no est<73> disponible; por eso, se desea investigar comoo el observamiento incompleto del entorno (a trav<61>s de observaciones locales) as<61> como de los cambios din<69>micos del mismo (por ejemplo, cambiando la relaci<63>n entre tareas Red y Green), afectan la asignaci<63>n de tareas. 

\subsection{Recolecci<EFBFBD>n m<>ltiple con M<>ltiples Robots}

\subsubsection{Descripci<EFBFBD>n de la tarea}
La tarea tradicional de recolecci<63>n se define al tener un robot o grupo de robots recolectando un grupo de objetos del entorno, cada uno consume uno y regrese a un lugar com<6F>n \cite{DGMJM02}. La recolecci<63>n m<>liple, es una variaci<63>n de la recolecci<63>n tradicional, se define en \cite{TB99} y consiste en una arena poblada por objetos de varios tipos que deben ser recolectados de forma concurrente.

Existen dos tipos de objetos dispersados de forma aleatoria a lo largo de la arena: \textit{PuckRed} y \textit{PuckGreen}. Cada robot es capaz de recolectar ambos tipos de objetos, pero solo puede ser asignado a la recolecci<63>n de un tipo en un instante de tiempo dado. Adicionalmente, todos los robots est<73>n recolectando todo el tiempo, es decir, no existen robots en estado de ``inactividad''. Un robot puede cambiar el tipo de objeto que est<73> recolectando de acuerdo a su pol<6F>tica de control, cuando el determina que es apropiado hacerlo. Los robots se mueven en un espacio cerrado y recogen los objetos que van encontrando. Cuando un robot recoge un objeto, el objeto es consumido y el robot lo lleva al sitio de recolecci<63>n de los otros objetos. Una vez que se consume el objeto, se coloca otro del mismo tipo de forma inmediata en un lugar aleatorio. Esto se hace para mantener la densidad de objetos constante.


\textit{En algunas ocaciones, la densidad de objetos puede afectar la precisi<73>n o la velocidad de convergencia a la asignaci<63>n de tareas deseada. \textbf{Nos reservamos el estudio del impacto de la variaci<63>n de densidad para trabajos futuros}}

El papel de la asignaci<63>n din<69>mica de tareas en este dominio requiere que los robots dividan su n<>mero recolectando unos los objetos \textit{PuckRed} y otros los \textit{PuckGreen}. En este experimento, se desea que la asignaci<63>n de robots converja a una situaci<63>n en la que la proporci<63>n de robots recolectando objetos \textit{PuckRed} sea igual a la proporci<63>n de objetos \textit{PuckRed} presentes en la arena.

Se ha observado que las capacidades limitadas de sensado y la falta de comunicaci<63>n directa de los robots, les impide adquirir informaci<63>n global tal como el tama<6D>o y forma de la arena de recolecci<63>n, el n<>mero inicial o actual de objetos a ser recolectados (total o por tipo), o el n<>mero inicial o total de robots recolectores (total o por tipo).


\textit{Utilizar la red idiot<6F>pica para aumentar el conocimiento del robot sobre el entorno}

\subsubsection{Controlador del robot basado en funcionamiento}

Todos los robots tienen controladores id<69>nticos basados en el comportamiento, los cuales consisten en los siguientes comportamientos mutuamente excluyentes:

\begin{itemize}
 \item El comportamiento \textit{ovoiding} provoca que el robot gire para evitar obst<73>culos en su camino.
 \item El comportamiento \textit{wandering (caminar sin una direcci<63>n determinada)} provoca que el robot se mueva hacia adelante y, despu<70>s de un lapso de tiempo aleatorio, gire a la izquierda o a la derecha describiendo un arco aleatorio por un per<65>odo de tiempo aleatorio.
 \item El comportamiento \textit{Puck Servoing} hace que el robot se mueva hacia un objeto (detectado) del tipo deseado.
 \item El comportamiento \textit{Grasping} hace que el robot recoja y consuma un objeto.
 \item El comportamiento \textit{Observing} hace que el robot tome la informaci<63>n de sus sensores y almacene los objetos y robots detectados en su respsctiva historia. El robot entonces actualiza su estado de recolecci<63>n basado en esas historias.
\end{itemize}


    \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
    \hline
    \multirow{2}{1.8cm}{Obst<EFBFBD>culo Detectado} & \multirow{2}{1.8cm}{Objeto Detectado} & \multirow{2}{2.7cm}{Gripper Break-Beam On} & \multirow{2}{2cm}{Se<EFBFBD>al de Observaci<63>n} & \multirow{2}{2.2cm}{Funcionamiento Activo} \\ \\ \hline
    X & X & X & 1 & Observing     \\ \hline
    1 & X & X & X & Avoiding      \\ \hline
    0 & 1 & 0 & 0 & Puck Servoing \\ \hline
    0 & X & 1 & 0 & Grasping      \\ \hline
    0 & X & X & X & Wandering     \\ \hline
    \end{tabular}

\tablename{Condiciones de activaci<63>n de los comportamientos}

Todos los robots mantienen tres tipos de informaci<63>n de estado: estado de recolecci<63>n, historia de objetos observados, e historia de robots observados. Cada robot es dotado con un indicador luminoso observable por los robots cercanos, el cual indica el estado actual del robot. Es decir, este indicador luminoso act<63>a como una comunicaci<63>n local, pasiva.


Todos los robots mantienen una historia limitada de tama<6D>o constante donde se almacena el estado de recolecci<63>n de los robots observados recientemente. Ninguna de estas historias contiene una identidad <20>nica o localizaci<63>n de los objetos o robots detectados.


Despu<EFBFBD>s que el robot hace una observaci<63>n, hace una re-evaluaci<63>n y cambia de forma probabil<69>stica su estado actual de recolecci<63>n dadas las nuvas historias de objetos y robots. La probabilidad con la cual el robot cambia su estado de recolecci<63>n se define con la funci<63>n de transici<63>n.