Made available in DSpace on 2018-08-02T00:01:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_3018_TeseDoutoradoFelipeNascimentoMartins.pdf: 8472284 bytes, checksum: 3749c00532b2e35a001d06cc2e94354e (MD5) Previous issue date: 2009-03-06 / Uma proposta de modelagem da dinâmica de robôs móveis tipo uniciclo é aqui apresentada e utilizada no projeto de controladores para os referidos robôs, inclusive num contexto de controle de formação. A dinâmica dos robôs móveis é modelada através de uma nova abordagem, baseada em um modelo dinâmico que aceita sinais de velocidades linear e angular como entradas. O novo modelo dinâmico apresentado tem suas propriedades estudadas e posteriormente utilizadas no desenvolvimento de controladores adaptativos, para compensar os efeitos da dinâmica de robôs móveis quando realizam tarefas de seguimento de trajetória, posicionamento e controle de formação. A teoria de Lyapunov é utilizada para analisar a estabilidade do equilíbrio para cada caso, também sendo realizada análise de robustez à variação de parâmetros e à presença de distúrbios não modelados. A influência da compensação da dinâmica é estudada, e sua importancia evidenciada através do cálculo de um índice de desempenho obtido em simulações e experimentos. Três estratégias de controle de formação com compensação dinâmica são apresentadas, sendo uma de controle descentralizado tipo líder-seguidor e duas de controle centralizado tipo estruturas virtuais. Uma das estratégias de controle centralizado é aqui proposta, sendo apresentado o desenvolvimento do Esquema de Controle Multicamadas. Tal esquema permite que cada parte do problema de controle de formação seja resolvido por um módulo independente, aumentando sua flexibilidade. É proposto um controlador de formação que posiciona os robôs numa formação que pode ser fixa ou variável, tanto em posição como em forma, sendo possível enfatizar a importância do controle de posicionamento ou de forma da formação. A influência da compensação dinâmica neste controle de formação é analisada e ilustrada através de resultados de simulação e também de experimentos.

Submitted by Tiago Ribeiro Trindade (ttrindade.ee@gmail.com) on 2017-05-23T20:00:46Z No. of bitstreams: 1 3b295d1ea6ff1bc87ae91070855b4ddf.pdf: 32196319 bytes, checksum: 953135cd98fe93401aef62069bb8aa43 (MD5) / Approved for entry into archive by Flávia Sousa (flaviabs@ufba.br) on 2017-05-29T17:30:21Z (GMT) No. of bitstreams: 1 3b295d1ea6ff1bc87ae91070855b4ddf.pdf: 32196319 bytes, checksum: 953135cd98fe93401aef62069bb8aa43 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-05-29T17:30:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 3b295d1ea6ff1bc87ae91070855b4ddf.pdf: 32196319 bytes, checksum: 953135cd98fe93401aef62069bb8aa43 (MD5) / Nesta tese propõe-se o projeto e o desenvolvimento de controladores de formação descentralizados para robôs móveis de diferentes tipos. As soluções baseiam-se na utilização de controladores preditivos não lineares NMPC de tempo contínuo para o cálculo das referências de pose e velocidade para cada robô da formação acoplados via função objetivo ou estados. A tarefa definida para os robôs em formação é o seguimento de caminhos espaciais, pré definidos ou adquiridos através de informações visuais, caso em que o controle é realizado diretamente no plano da imagem, através da utilização de características visuais simplificadas. Para o tratamento de formações e caminhos variantes no tempo, propõe-se uma abordagem para garantia de factibilidade recursiva sem demasiado aumento da complexidade algorítmica dos controladores locais. Tal abordagem baseia-se no relaxamento das restrições do problema de otimização sem penalização explícita na função objetivo. São apresentadas duas propostas para o controle de formação utilizando informações visuais, uma baseia-se num novo conceito de câmeras e caminhos virtuais e a outra implementa a estratégia líder seguidor tradicional. Decorrente da não linearidade dos modelos obtidos, surgem limitações nos horizontes de predição e controle, interferindo diretamente nos requisitos de estabilidade. Neste caso, a estabilidade é garantida através da adição de um custo terminal às funções objetivo e uma zona terminal para as restrições. Resultados simulados e experimentais são apresentados para demonstrar o desempenho das estratégias propostas em diversas situações. / This thesis proposes the design and the development of decentralized formation controllers for di erent types of mobile robots. The solutions are based on the use of continuous time non-linear model predictive formation controllers NMPC for the calculus of references of poses and velocity. The task de ned for the robots in formation are to track spacial paths, pre-speci ed or acquired through visual information, in wich case the control is accomplished direct from the image plane. For the handling of time-varying formations and paths, an approach is proposed to guarantee recursive feasibility without too much increase of the algorithmic complexity of the local controllers. Such an approach is based on the constraints relaxation of the optimization problem without any explicit penalty in the objective function. Two approaches are presented for Formation control using visual information, one based on a new concept of virtual cameras and paths and the other one implements the traditional Leader-Follower strategy. Due to the non-linearity of the obtained models, limitations on prediction and control horizons arise, directly interfering on the stability requirements. Simulated and experimental results are shown to demonstrate the good performance of the proposed strategies in di erent situations.

Orientador: Prof. Dr. Wagner Tanaka Botelho / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação, 2017. / Os avanços tecnológicos realizados na robótica móvel ao longo do tempo requereram o estudo e desenvolvimento de robôs cada vez mais autônomos e complexos, capazes de se adaptarem aos ambientes e condições que lhe são impostas. Contudo, dependendo do objetivo a alcancar, torna-se mais efetivo a utilização de uma maior quantidade de robos menores e mais simples, com capacidade cooperativa, resultando em um sistema escalavel e menos suscetývel a falhas gerais, denominado Sistema Multirrobotico (SMR). Tendo um SMR como objeto de estudo principal, este trabalho consiste no desenvolvimento de uma arquitetura multirrobotica descentralizada para o controle de posição e formação utilizando quadricopteros. A arquitetura é composta por n quadricopteros virtuais, implementados no software de simulação Gazebo e um quadricoptero real. O Robot Operating System (ROS) controla todos os quadricopteros, alem de gerenciar a comunicação entre os agentes roboticos. Um ponto importante é que, visando a diminuição dos custos do projeto, foi utilizado apenas um quadricoptero real, uma vez que somente um é necessário para validar a integração entre os mundos virtual e real. Para o controle de posição e formação foram propostos modelos matematicos que determinam as trajetorias dos n quadricopteros em formação linear, formação de figuras poligonais com troca de posição e formação de figuras poligonais com troca de posição e ponto de referencia movel. Nas simulações, foi possivel observar o deslocamento dos quadic'opteros em formação, validando os modelos matematicos. Por'em, no experimento real, a trajetoria no controle de formação foi parcialmente observada devido a alguns problemas apresentados na estrutura do quadricoptero e tambem por não possuir um sistema de sensoriamento no ambiente real. Apesar desses problemas, a integração entre os mundos virtual e real também foi validada. / The technological advances made in mobile robotics over time have required the study and development of robots that are increasingly autonomous and complex, capable of adapting to the environments and conditions that are imposed on them. However, depending on the goal to be achieved, it becomes more e.ective to use a larger number of smaller and simpler robots with cooperative capability, resulting in a scalable system that is less susceptible to general failures, called Multi-Robot Systems (MRS). Considering a MRS as the main study, the main target in this work is to develop a descentralized multi-robot architecture for position control using quadcopters. The architecture consists of n virtual quadcopters, implemented on the Gazebo simulation software and a real quadcopter. The Robot Operating System (ROS) controls all quadcopters as well as managing communication between them. In order to reduce the project costs, only one real quadcopter was used, since it is enough to validate the integration between the virtual and real worlds. The mathematical models were proposed to calculate the paths of the quadcopters in linear formation, formation of polygonal figures with rotation and formation of polygonal figures with rotation and mobile reference point. In the simulations, it was possible to observe the displacement of the quadcopters in formation, validating the mathematical models. However, in the real experiment, the trajectory in the formation control was partially observed due to some limitations presented on the quadcopter structure. Also, the sensing system was not available in the real environment. Despite these problems, the integration between the virtual and real worlds has also been validated.

Este trabalho trata da coordenação de robôs heterogêneos que consiste em um robô helicóptero e em múltiplos robôs móveis com rodas, de modo que estes sigam um líder. Para atingirmos este objetivo, neste trabalho desenvolve-se a estimação da atitude e posição de um robô utilizando filtros robustos. Os filros realizam a fusão dos sinais de uma unidade de medida inercial de baixo custo e de um receptor GPS (Global Positioning System) considerando um modelo de corpo rígido formulado em termos de quatérnios. Resultados experimentais são apresentados baseados em um estudo comparativo entre os filtros robustos e o filtro de Kalman. Desenvolve-se o controle de um robô móvel com rodas deslizantes e de um robô helicóptero. Para realizar o controle robusto utilzia-se um regulador robusto recursivo. Simulaçõoes do robô móvel com rodas deslizantes e do robô helicóptero são apresentadas utilizando os parâmetros de um robô móvel Pioneer 3AT e de um robô helicóptero RMAX. Desenvolve-se também um mini robô helicóptero e uma base de movimento para realização de testes de controle do mini robô helicóptero constiste de um mini helimodelo e de um piloto automático baseado em um microprocessador com conectividade Wi-Fi, uma unidade de medida inercial e uma placa de controle de servos motores. E por fim, desenvolve-se a coordenação de robôs heterogêneos de modo que estes sigam um líder. Para isto é utilziado um controlador descentralizado e cooperativo cuja finalidade é gerar trajetórias de referência para que os robôs heterogênos se movimentem em formação rígida. / This research deals with the coordination of the heterogeneous robots, consisting of a robotic helicopter and multiple uheeled mobile robots, to achieve this aim this work develops the estimation of attitude, heading and positions of a robot based on robust filters. The filters perform the fusion of the signals of a low-cost inertial measurement unit and a GPS (Global Positioning System) receiver considering a rigid body model formulated in terms of quaternions. Experimental results are presented based on a comparative study of the robust filters and Kalman filter. It develops a robust control scheme of a ski-steering mobile robot and a robotic helicopter. The robust control is performed through a the robust recursive regulator. Simulations of the skid-steering mobile robot and a robotic helicopter are presented using the parameters of a Pioneer 3AT and a robotic helicopter RMAX. It also develops a mini robotic helicopter and a motion base to perform control test of a mini robotic helicopter. The mini robotic helicopter consists of a mini helicopter TREX 450 XL and an autopilot based on a microprocessor with Wi-Fi, an inertial measurement unit a servo control board. To finish, it develops the coordination of the heterogeneous robots in order to perform a leader strategy based on the concept of rigid formation.

Neste mestrado propõe-se um estudo sobre o controle automático de sistemas dinâmicos para o problema de coordenação de robôs móveis. Os movimentos coordenados serão realizados em função de um líder e qualquer robô da formação pode assumir a liderança de maneira aleatória. Os robôs trocam informação através de um grafo direcionado (dígrafo) de comunicação, definido a-priori e, movimentos estáveis são gerados através de uma lei de controle descentralizada baseada nas coordenadas dos robôs. Além disso, as equações dinâmicas não lineares dos robôs são descritas na forma de espaço de estado sendo os parâmetros das matrizes dependentes da velocidade angular das rodas. Esta representação, conhecida como Quase Linear a Parâmetros Variantes (Quase-LPV), é utilizada no projeto de controle H \'INFINITO\' não linear para sistemas dinâmicos. Para garantir a estabilidade da formação quando há alternância de líder ou remoção de robôs, foi feito o controle robusto e controle tolerante a falhas para um grupo de robôs móveis com rodas (RMRs). O controle robusto é baseado em controle H \'INFINITO\' não linear via realimentação do estado e controle H \'INFINITO\' não linear via realimentação da saída. O controle tolerante a falhas é baseado em controle H \'INFINITO\' por realimentação da saída de sistemas lineares sujeitos a saltos Markovianos para garantir a estabilidade da formação quando um dos robôs é perdido durante o movimento coordenado. Resultados em simulação são apresentados para os controladores utilizados. / This dissertation proposes a study on the automatic control of dynamic systems to the problem of coordination of mobile robots. The coordinated motions are performed with the robots following a leader, and any robot of the formation can assume the leadership randomly. The robots exchange informations according to a pre-specified communication directed graph (digraph). Stable motions are generated by a decentralized control law based on the robots coordinates. In addition, the nonlinear dynamic equations of the robots are described in state-space form where the parameters matrices depend on the angular velocities of the wheels. This representation, known as Quasi-Linear Parameter Varying (Quasi-LPV), is useful for control designs based on nonlinear H \'INFINITE\' approaches. To ensure the stability formation when there is alternation of leader or one of the robots is removed, we made a robust control and fault tolerant control for a group of wheeled mobile robots (WMRs). The robust approach is based on state feedback nonlinear H \'INFINITE\' control and output feedback nonlinear H \'INFINITE\' control. The fault tolerant approach is based on output feedback H \'INFINITE\' control of Markovian jump linear systems to ensure stability of the formation when one of the robots is lost during the coordinated motion. Results in simulation are presented for the controllers used.

Coordenação de robôs móveis é um tópico importante de pesquisa dado que existem tarefas que podem ser desenvolvidas de forma mais eficiente e com menor custo por um grupo de robôs do que por um só robô. Nesta dissertação é apresentado um estudo sobre coordenação de robôs móveis para o problema de navegação em ambientes externos. Para isso, foi desenvolvido um sistema de localização utilizando os dados de odometria e do receptor GPS, e um sistema de desvio de obstáculos para planejar a trajetória livre de obstáculos. Os movimentos coordenados foram realizados em função de um líder e qualquer robô da formação pode assumir a liderança. A liderança é assumida pelo robô que ultrapassar a distância mínima a um obstáculo. Movimentos estáveis são gerados através de uma lei de controle descentralizada baseada nas coordenadas dos robôs. Para garantir a estabilidade da formação quando há alternância de líder ou remoção de robôs, foi feito controle tolerante a falhas para um grupo de robôs móveis. O controle tolerante a falhas é baseado em controle H \'INFINITO\' por realimentação da saída de sistemas lineares sujeitos a saltos Markovianos para garantir a estabilidade da formação quando um dos robôs é perdido durante o movimento coordenado. Os resultados do sistema de localização mostram que o uso de filtro robusto para a fusão de dados produz uma melhor estimativa da posição do robô móvel. Os resultados também mostram que o sistema de desvio de obstáculos é capaz de gerar uma trajetória livre de obstáculos em ambientes desconhecidos. E por fim, os resultados do sistema de coordenação mostram que o grupo de robôs mantém a formação desejada percorrendo a trajetória de referência na presença de distúrbios ou quando um robô sai da formação. / Coordination of mobile robots is an important topic of research because there are tasks that may be too difficult for a single robot to perform alone, these tasks can be performed more efficiently and cheaply by a group of mobile robots. This dissertation presents a study on the coordination of mobile robots to the problem of navigation in outdoor environments. To solve this problem, a localization system using data from odometry and GPS receiver, and an obstacle avoidance system to plan the collision-free trajectory, were developed. The coordinated motions are performed by the robots that follow a leader, and any robot of the formation can assume the leadership. The leadership is assumed by a robot when it exceeds the threshold distance to an obstacle. Stable motions are generated by a decentralized control law based on the robots coordinates. To ensure the stability formation when there is alternation of leader or one of the robots is removed, we made a fault tolerant control for a group of mobile robots. The fault tolerant approach is based on output feedback H \'INFINITE\' control of Markovian jump linear systems to ensure stability of the formation when one of the robots is lost during the coordinated motion. The results of the localization system show that the use of robust filter for data fusion produces a better estimation of the mobile robots position. The results also show that the obstacle avoidance system is capable of generating a path free from obstacles in unknown environments. Finally, the results of the coordination system show that the group of robots maintain the desired formation along the reference trajectory in the presence of disturbance or removal of one of them.

Orientador: Prof. Dr. Luiz de Siqueira Martins Filho / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, 2014.

Neste mestrado propõe-se um estudo sobre o controle automático de sistemas dinâmicos para o problema de coordenação de robôs móveis. Os movimentos coordenados serão realizados em função de um líder e qualquer robô da formação pode assumir a liderança de maneira aleatória. Os robôs trocam informação através de um grafo direcionado (dígrafo) de comunicação, definido a-priori e, movimentos estáveis são gerados através de uma lei de controle descentralizada baseada nas coordenadas dos robôs. Além disso, as equações dinâmicas não lineares dos robôs são descritas na forma de espaço de estado sendo os parâmetros das matrizes dependentes da velocidade angular das rodas. Esta representação, conhecida como Quase Linear a Parâmetros Variantes (Quase-LPV), é utilizada no projeto de controle H \'INFINITO\' não linear para sistemas dinâmicos. Para garantir a estabilidade da formação quando há alternância de líder ou remoção de robôs, foi feito o controle robusto e controle tolerante a falhas para um grupo de robôs móveis com rodas (RMRs). O controle robusto é baseado em controle H \'INFINITO\' não linear via realimentação do estado e controle H \'INFINITO\' não linear via realimentação da saída. O controle tolerante a falhas é baseado em controle H \'INFINITO\' por realimentação da saída de sistemas lineares sujeitos a saltos Markovianos para garantir a estabilidade da formação quando um dos robôs é perdido durante o movimento coordenado. Resultados em simulação são apresentados para os controladores utilizados. / This dissertation proposes a study on the automatic control of dynamic systems to the problem of coordination of mobile robots. The coordinated motions are performed with the robots following a leader, and any robot of the formation can assume the leadership randomly. The robots exchange informations according to a pre-specified communication directed graph (digraph). Stable motions are generated by a decentralized control law based on the robots coordinates. In addition, the nonlinear dynamic equations of the robots are described in state-space form where the parameters matrices depend on the angular velocities of the wheels. This representation, known as Quasi-Linear Parameter Varying (Quasi-LPV), is useful for control designs based on nonlinear H \'INFINITE\' approaches. To ensure the stability formation when there is alternation of leader or one of the robots is removed, we made a robust control and fault tolerant control for a group of wheeled mobile robots (WMRs). The robust approach is based on state feedback nonlinear H \'INFINITE\' control and output feedback nonlinear H \'INFINITE\' control. The fault tolerant approach is based on output feedback H \'INFINITE\' control of Markovian jump linear systems to ensure stability of the formation when one of the robots is lost during the coordinated motion. Results in simulation are presented for the controllers used.

Submitted by Viviane Lima da Cunha (viviane@biblioteca.ufpb.br) on 2016-02-16T13:26:42Z No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 3970645 bytes, checksum: d514b848324ac20a549db632034383d7 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-02-16T13:26:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 3970645 bytes, checksum: d514b848324ac20a549db632034383d7 (MD5) Previous issue date: 2015-10-10 / The purpose of this study is to adapt and embed a navigation system and control of mobile robots, based on NMPC, in a low-cost board existent on the market, to provide sufficient com-putational resources so that the robot is able to converge, without losing performance, using the same horizons applied in a Laptop. The obtained results demonstrate the proposed scenario according with the experiments, proving that it is possible to use low cost boards, to a navigation system and control of mobile robots, based on NMPC, using the same predictive and control horizons applied in a Laptop. / A proposta desse trabalho é adaptar e embarcar um sistema de navegação e controle de robôs móveis, baseado em NMPC, em uma placa de baixo custo já existente no mercado, que dispo-nibilize recursos computacionais suficientes para que o Robô seja capaz de convergir, sem perda de desempenho e utilizando os mesmos horizontes aplicados em um Laptop. Os Resulta-dos obtidos demonstram todo o cenário proposto e de acordo com os experimentos realizados, comprovou-se que é possível o uso de placas de baixo custo, para controle de robôs móveis, baseado em NMPC, utilizando os mesmos horizontes de predição e controle aplicados em uma Laptop.

Este trabalho trata da coordenação de robôs heterogêneos que consiste em um robô helicóptero e em múltiplos robôs móveis com rodas, de modo que estes sigam um líder. Para atingirmos este objetivo, neste trabalho desenvolve-se a estimação da atitude e posição de um robô utilizando filtros robustos. Os filros realizam a fusão dos sinais de uma unidade de medida inercial de baixo custo e de um receptor GPS (Global Positioning System) considerando um modelo de corpo rígido formulado em termos de quatérnios. Resultados experimentais são apresentados baseados em um estudo comparativo entre os filtros robustos e o filtro de Kalman. Desenvolve-se o controle de um robô móvel com rodas deslizantes e de um robô helicóptero. Para realizar o controle robusto utilzia-se um regulador robusto recursivo. Simulaçõoes do robô móvel com rodas deslizantes e do robô helicóptero são apresentadas utilizando os parâmetros de um robô móvel Pioneer 3AT e de um robô helicóptero RMAX. Desenvolve-se também um mini robô helicóptero e uma base de movimento para realização de testes de controle do mini robô helicóptero constiste de um mini helimodelo e de um piloto automático baseado em um microprocessador com conectividade Wi-Fi, uma unidade de medida inercial e uma placa de controle de servos motores. E por fim, desenvolve-se a coordenação de robôs heterogêneos de modo que estes sigam um líder. Para isto é utilziado um controlador descentralizado e cooperativo cuja finalidade é gerar trajetórias de referência para que os robôs heterogênos se movimentem em formação rígida. / This research deals with the coordination of the heterogeneous robots, consisting of a robotic helicopter and multiple uheeled mobile robots, to achieve this aim this work develops the estimation of attitude, heading and positions of a robot based on robust filters. The filters perform the fusion of the signals of a low-cost inertial measurement unit and a GPS (Global Positioning System) receiver considering a rigid body model formulated in terms of quaternions. Experimental results are presented based on a comparative study of the robust filters and Kalman filter. It develops a robust control scheme of a ski-steering mobile robot and a robotic helicopter. The robust control is performed through a the robust recursive regulator. Simulations of the skid-steering mobile robot and a robotic helicopter are presented using the parameters of a Pioneer 3AT and a robotic helicopter RMAX. It also develops a mini robotic helicopter and a motion base to perform control test of a mini robotic helicopter. The mini robotic helicopter consists of a mini helicopter TREX 450 XL and an autopilot based on a microprocessor with Wi-Fi, an inertial measurement unit a servo control board. To finish, it develops the coordination of the heterogeneous robots in order to perform a leader strategy based on the concept of rigid formation.