O contínuo aumento da complexidade no controle de sistemas robóticos, bem como a aplicação de grupos de robôs auxiliando ou substituindo seres humanos em atividades críticas tem gerado uma importante demanda por soluções mais robustas, flexíveis, e eficientes. O desenvolvimento convencional de algoritmos especializados, constituídos de sistemas baseados em regras e de autômatos usados para coordenar estes conjuntos físicos em um ambiente dinâmico é um desafio extremamente complexo. Diversos modelos de desenvolvimento existem, entretanto, muitos desafios da área da robótica móvel autônoma continuam em aberto. Esta tese se insere no contexto da busca por soluções inteligentes a serem aplicadas em robôs móveis autônomos com o objetivo de permitir a operação destes em ambientes dinâmicos. Buscamos, com a investigação e aplicação de estratégias inteligentes por meio de aprendizado de máquina no funcionamento dos robôs, a proposta de soluções originais que permitam uma nova visão sobre a operação de robôs móveis em três dos desafios da área da robótica móvel autônoma, que são: localização, navegação e operações com grupos de robôs. As pesquisas sobre localização e coordenação de grupos apresentam investigação e propostas originais, buscando estender o estado da arte, onde apresentam resultados inovadores. A parte sobre navegação tem como objetivo principal ser um elo entre os conceitos de localização e coordenação de grupos, sendo o foco o desenvolvimento de um veículo autônomo com maior implicação em avanços técnicos. Relacionado com a coordenação de grupos de robôs, fizemos a escolha de trabalhar sobre uma aplicação modelada como o problema de combate a incêndios florestais. Buscamos desenvolver um ambiente de simulação realístico, onde foram avaliadas quatro técnicas para busca de iii estratégias de formação do grupo: Algoritmos Genéticos, Otimização por Enxame de Partículas, Hill Climbing e (iv) Simulated Annealing. Com base nas diversas avaliações realizadas pudemos mostrar quais das técnicas e conjuntos de parâmetros permitem a obtenção de resultados mais acurados que os demais. Além disso, mostramos como uma heurística baseada em populações anteriores pode auxiliar na tolerância a falhas da operação. Relacionado com a tarefa de navegação, apresentamos o desenvolvimento de um veículo autônomo de grande porte funcional para ambientes externos. Buscamos aperfeiçoar uma arquitetura para navegação autônoma, baseada em visão monocular e com capacidade de seguir pontos esparsos de GPS. Mostramos como a simulação e os usos de robôs de pequeno porte auxiliaram no desenvolvimento do veículo de grande porte e apresentamos como as redes neurais podem ser aplicadas nos modelos de navegação autônoma. Na investigação sobre localização, mostramos um método utilizando informação obtida de redes sem fio para prover informação de localização para robôs móveis. As informações obtidas da rede sem fio são utilizadas para aprendizado da posição de um robô móvel por meio de uma rede neural. Diversas avaliações foram realizadas buscando entender o comportamento do sistema com diferentes números de pontos de acesso, com uso de filtros, com diferentes topologias. Os resultados mostram que o modelo usando redes sem fio pode ser um possível método prático e barato para localização de robôs móveis. Esta tese aborda temas relevantes e propostas originais relacionadas com os objetivos propostos, apresentando métodos que provenham autonomia na coordenação de grupos e nas atividades individuais dos mesmos. A busca por altos graus de eficiência na resolução de tarefas em ambientes dinâmicos ainda é um campo que carece de soluções e de um aprofundamento nas pesquisas. Sendo assim, esta pesquisa buscou agregar diversos avanços científicos na área de pesquisa de robôs móveis autônomos e coordenação de grupos, por meio da aplicação de estratégias inteligentes / The constant increasing of the complexity in the control of robotic systems, as well as the application of groups of robots assisting or replacing human beings in critical activities has generated a significant demand for more robust, flexible and efficient solutions. The conventional development of specialized algorithms consisted of rule-based systems and automatas, used to coordinate these physical sets in a dynamic environment is an extremely complex challenge. Although several models of development of robotic issues are currently in use, many challenges in the area remain open. This thesis is related to the search for intelligent strategies to be applied in autonomous mobile robots in order to allow practical operations in dynamic environments. We seek, with the investigation of intelligent strategies by means of the use of machine learning in the robots, to propose original solutions to allow contributions in three challenges of the robotic research area: localization, navigation and coordination of groups of robots. The investigations about localization and groups of robots show novel and original proposals, where we sought to extend the state of the art. The navigation part has as its major objective to be a link between the subjects of localization and navigation, being its aim to help the deployment of a autonomous vehicle implying in greater technical advances. Related to the robotic group coordination, we have made the choice to work on an application modeled as a wildfire combat operation. We have developed a simulation environment in which we have evaluated four techniques to obtain strategies for the group formation: genetic algorithms, particle swarm optimization, hill climbing and simulated annealing. The v results showed that we can have very different accuracy with different techniques and sets of parameters. Furthermore, we show how a heuristic based on the use of past populations can assist in fault tolerant operation. Related to the autonomous navigation task, we present the development of a large autonomous vehicle capable of operating in outdoor environments. We sought to optimize an architecture for autonomous navigation based on monocular vision and with the ability to follow scattered points of GPS.We show how the use of simulation and small robots could assist in the development of large vehicle. Furthermore, we show how neural networks can be applied as a controller to autonomous navigation systems. In the investigation about localization, we presented a method using wireless networks to provide information about localization to mobile robots. The information gathered by the wireless network is used as input in an artificial neural network which learns the position of the robot. Several evaluations were carried out in order to understand the behavior of the proposed system, as using different topologies, different numbers of access points and the use of filters. Results showed that the proposed system, using wireless networks and neural networks, may be a useful and easy to use solution for localization of mobile robots. This thesis has addressed original and relevant topics related to the proposed objectives, showing methods to allow degrees of autonomy in robotic operations. The search for higher degrees of efficiency in tasks solving in dynamic environments is still a field that lacks solutions. Therefore, this study sought to add several scientific contributions in the autonomous mobile robots research area and coordination of groups, by means of the application of intelligent strategies

Orientadores: Douglas Eduardo Zampieri, Andre Mendeleck / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-09T05:32:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MirandaNeto_Arthurde_M.pdf: 21444077 bytes, checksum: e685627c310f9057b82e1bb7b7229228 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Neste trabalho apresentamos um sistema autônomo baseado em monovisão, aplicado ao controle de um robô móvel em tarefas de navegação por ambientes desconhecidos. Para o cumprimento de tarefas de navegação, o sistema não possui conhecimento inicial sobre o ambiente, tendo como fonte primária de informações, dados oriundos do sistema de visão. Os movimentos são estruturados através de um Algoritmo Genético, que define as ações a serem executadas pelo robô móvel. O sistema foi desenvolvido em uma arquitetura multicamadas, sendo elas: Visão Computacional, Estratégias de Navegação e Comandos. A camada de visão constitui-se de dois métodos principais: método de segmentação Threshold and Horizon Finder, baseado no método de busca do limiar ótimo proposto por Otsu; e um novo método para descarte de informações redundantes, baseado no Coeficiente de Correlação de Pearson. Na camada Estratégias de Navegação, apresentamos uma proposta de um sistema de navegação com aprendizado evolutivo. Na última camada Comandos, abordamos o protocolo de interface entre a aplicação e o projeto físico mecânico. Um experimento foi realizado com um protótipo real, cujos resultados validaram a metodologia proposta, demonstrando a capacidade de resposta do sistema em tempo real / Abstract: In this work we present an autonomous system based on monocular vision, applied to a mobile robot's control executing navigation tasks in an unknown environrnent. For the execution of navigation tasks, the system does not have previous knowledge of the environrnent. Its primary source of information is data originating from the vision system. The movements are structured through a Genetic AIgorithm that defines the actions to be executed by the mobile robot. The system was developed based on a multilayer architecture, where the three main layers are: Computer Vision, Navigation Strategies and Commands. The vision layer is constituted of two main methods: method of segmentation Threshold and Horizon Finder, based on the ideal threshold search method proposed by Otsu; and a new improved method for discarding redundant information, based on the Pearson's Coefficient Correlation. In the Navigation Strategies layer, we propose a navigation system with evolutive learning. In the last layer, Commands, we deal with the interface protocol between the application and the mechanical physical project. An experiment with a real prototype was executed, which results validated the proposed methodology, demonstrating that the system is able to give real time responses / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Submitted by Geandra Rodrigues (geandrar@gmail.com) on 2018-01-08T11:00:22Z No. of bitstreams: 1 marinaborgesarantesdesouza.pdf: 4073445 bytes, checksum: 18982e159219bb019d11c3f3604e9f38 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2018-01-22T15:25:04Z (GMT) No. of bitstreams: 1 marinaborgesarantesdesouza.pdf: 4073445 bytes, checksum: 18982e159219bb019d11c3f3604e9f38 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-01-22T15:25:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 marinaborgesarantesdesouza.pdf: 4073445 bytes, checksum: 18982e159219bb019d11c3f3604e9f38 (MD5) Previous issue date: 2017-08-28 / CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Levando em conta a crescente utilização de sistemas robóticos em várias situações da atualidade, métodos que coordenam as atividades dos robôs são essenciais para se obter movimentos sincronizados e livres de possibilidades de colisão. Uma forma de coordená-los é através de métodos de otimização. O presente trabalho enfoca uma abordagem baseada em Programação Não Linear para encontrar perfis de velocidade ótimos para robôs com caminhos previamente especificados. A metodologia é aplicada em modelos de robôs móveis e manipuladores robóticos. Apesar das diferenças construtivas, de forma geral e para fins de coordenação, é permitido compartilhar, para os dois casos, a mesma formulação de otimização, fundamentada na maximização do quadrado da diferença de tempo em que os robôs atingem um mesmo ponto de colisão. Não obstante o grande número de trabalhos encontrados na literatura que envolvem o assunto, abordagens relacionadas a uma modelagem não linear do problema são escassas. A vantagem do método encontra-se na facilidade de representar não linearidades do sistema, como limitações de velocidade, aceleração e torque dos robôs. Além disso, a complexidade de formulação e resolução é reduzida em comparação com outros métodos que envolvem o tratamento de variáveis inteiras. O método também engloba situações em que os robôs podem se colidir na forma de segmentos. Para tanto, determina-se uma abordagem baseada na inclusão de pontos fictícios para representar tais trechos. Os testes foram realizados em diferentes sistemas de robôs móveis e manipuladores e os resultados comprovaram a eficiência da metodologia proposta, encontrando perfis de velocidade ótimos que determinam trajetórias sem acidentes. Comparações com Programação Linear Inteira Mista, amplamente utilizada para esse fim, comprovaram a superioridade da técnica apresentada, com relação à complexidade e modelagem de não linearidades, aproximando o modelo a sistemas reais. / The use of robotic systems in various industrial and logistics situations is increasing. Methods that coordinate the activities of the robots are essential to obtain synchronized and free of collision possibilities movements. One manner to coordinate them is through optimization methods. This work focuses on an approach based on Nonlinear Programming to determine optimal velocity profiles of robots with previously specified paths. The methodology is applied to mobile robots and manipulators models. Despite the constructive differences, in general, the same optimization formulation can be shared for both cases. The arrangement is based on the maximization of the square of the time difference in which the robots reach the same point of collision. Notwithstanding a large number of papers found in the literature involving the subject, approaches related to a nonlinear modeling of the problem are scarce. The advantage of the method lies in the easiness of representing nonlinearities of the system, such as speed, acceleration and torque limitations of robots. In addition, the formulation and resolution complexity is reduced compared to other methods encompassing the processing of integer variables. The method also encompasses situations where robots may collide in the form of segments. In this sense, an approach based on the inclusion of fictitious points to represent such stretches is determined. The tests were realized in different mobile robot and manipulators systems. The results proved the efficiency of the proposed methodology, finding optimal speed profiles that determine trajectories without accidents. Comparisons with Mixed Integer Linear Programming, widely used for this purpose, proved the superiority of the proposed technique with respect to the complexity and modeling of nonlinearities, bringing the model closer to real systems.

A aplicação de sistemas de múltiplos robôs é desejável em várias tarefas. Algumas delas são: exploração de ambientes, mineração, detecção de minas terrestres, segurança e operações de resgate. Uma estratégia eficiente de coordenação é decisiva para alcançar melhoras no desempenho. Neste projeto, duas novas estratégias são propostas para a coordenação de sistemas de múltiplos robôs, aplicadas para as tarefas de exploração, vigilância e formação. Elas são distribuídas, descentralizadas e ocorrem em tempo de execução. A inspiração para ambas advém de mecanismos biológicos que definem uma organização social de sistemas coletivos. Especificamente, considerou-se nesta tese uma versão modificada do sistema de colônia de formigas. As estratégias são adaptáveis para cenários em que o número de robôs e a estrutura do ambiente mudam. Em relação à primeira estratégia, os experimentos consideram dois critérios de desempenho: a média de ciclos de vigilância e a média de iterações em cada intervalo de segurança. Os resultados de simulação confirmam que a exploração e vigilância emergem da sinergia dos comportamentos individuais dos robôs. Os dados obtidos mostram que a estratégia de coordenação é eficiente e satisfatória para realizar as tarefas de exploração e vigilância. Quanto à segunda estratégia, o sistema apresenta as características desejáveis para que a formação seja mantida: separação, alinhamento e coesão. Evidências empíricas mostraram que o sistema possui boa habilidade dispersiva, o que promoveu o aumento da cobertura, e que o mesmo foi capaz de se adaptar a novas topologias de grupo e configurações de ambiente / The application of systems of multiple robots is desirable in various tasks. Some of them include: exploration, mining, land mine detection, security and rescue operations. An effective strategy for coordination is crucial to achieve performance improvements. In this project, two new strategies are proposed for the coordination of multiple robot systems, applied to the tasks of exploration, surveillance and formation. They are distributed, decentralized and performed in real time. The inspiration for both of them comes from the biological mechanisms that define a social organization of collective systems. Specifically, it was considered in this thesis a modified version of the Ant Colony System. The strategies are adaptable for scenarios where the number of robots and structure of the environment change. Regarding the first strategy, the experiments consider two performance criteria: average surveillance cycles and average iterations for each patrolling interval. Simulation results confirm that the exploration and surveillance emerge from the synergy of individual behaviors of robots. The data obtained show that the coordination strategy is efficient and and suitable to perform the tasks of exploration and surveillance. Regarding the second strategy, the system presents the characteristics desirable to maintain the formation: separation, alignment and cohesion. Empirical evidence showed that the system has good dispersive ability, which promoted an increase in coverage, and that it was able to adapt to new group topologies and environment settings

Orientadora: Mariana Claudia Broens / Resumo: Neste trabalho nos propomos a desenvolver uma análise crítica dos conceitos de agênciae responsabilidade no contexto tecnológico contemporâneo em que são produzidossistemas artificiais ditos autônomos. Tendo esse objetivo em foco, apresentamosprimeiramente teorias da ação e problematizamos as noções de evento causal e açãocausal, objeto e agente, visando clarificar a noção de agência. Analisamos, em seguida,a noção de ação responsável proposta por Hans Jonas uma vez que ele propõe umanoção de responsabilidade considerando o desenvolvimento tecnológicocontemporâneo. Em especial, apresentamos e discutimos a noção de heurística do temorproposta por Jonas (2004) cujo objetivo é criar cenários possíveis que antecipemimplicações a longo prazo do uso de novas tecnologias e auxiliem a informar asociedade sobre as possíveis consequências de seu uso para as novas gerações.Por fim,tratamos mais especificamente da legitimidade da atribuição de agência eresponsabilidade a sistemas artificiais, especialmente a robôs, na perspectiva daFilosofia e da Robótica, a partir de teses defendidas por Hans Jonas (2004, 2013) eWillem Haselager (2005). Em seus textos, ambos autores discutem a possibilidade deatribuir agência e responsabilidade a sistemas artificiais capazes de aprender e tomardecisões que ultrapassem os limites de sua programação inicial. Concluímos que pareceproblemático tanto atribuir agência a sistemas artificiais autônomos no mesmo sentidoem que ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: In this work, we propose to develop a critical analysis of the concepts of agency and responsibility in the contemporary technological context in which artificial systems said to be autonomous are produced. Aiming on this goal, we present, firstly, some theories of action, and we problematize the notions of causal event and causal action, object and agent, aiming on clarifying the notion of agency. Following, we analyze the notion of responsible action proposed by Hans Jonas, once he proposes a notion of responsibility considering the contemporary technological development. In particular, we present and discuss the heuristic notion of fear proposed by Jonas (2004) whose goal is to create possible scenarios which may anticipate long-term implications of the use of new technologies and may help to inform society about the possible consequences of their use for the new generations. Finally, we deal more specifically with the legitimacy of the attribution of agency and responsibility to artificial systems, specially robots, from the perspective of Philosophy and Robotics, from theses defended by Hans Jonas (2004, 2013) and Willem Haselager (2005). In their texts, both authors discuss the possibility of attributing agency and responsibility to artificial systems capable of learning and making decisions which surpass the limits of their initial programming. We conclude that it seems problematic both to attribute agency to autonomous artificial systems in the same sense in which human beings are considered to be agents, and to reduce such systems to mere causally determined objects. / Mestre

O problema da localização e mapeamento simultâneos, conhecido como problema do SLAM, é um dos maiores desafios que a robótica móvel autônoma enfrenta atualmente. Esse problema surge devido à dificuldade que um robô apresenta ao navegar por um ambiente desconhecido, construindo um mapa das regiões por onde já passou ao mesmo tempo em que se localiza dentro dele. O acúmulo de erros gerados pela imprecisão dos sensores utilizados para estimar os estados de localização e mapeamento impede que sejam obtidos resultados confiáveis após períodos de navegação suficientemente longos. Algoritmos de SLAM procuram eliminar esses erros resolvendo ambos os problemas simultaneamente, utilizando as informações de uma etapa para aumentar a precisão dos resultados alcançados na outra e viceversa. Uma das maneiras de se alcançar isso se baseia no estabelecimento de marcos no ambiente que o robô pode utilizar como pontos de referência para se localizar conforme navega. Esse trabalho apresenta uma solução para o problema do SLAM que faz uso de um sensor de visão omnidirecional para estabelecer esses marcos. O uso de sistemas de visão permite a extração de marcos naturais ao ambiente que podem ser correspondidos de maneira robusta sob diferentes pontos de vista. A visão omnidirecional amplia o campo de visão do robô e com isso aumenta a quantidade de marcos observados a cada instante. Ao ser detectado o marco é adicionado ao mapa que robô possui do ambiente e, ao ser reconhecido, o robô pode utilizar essa informação para refinar suas estimativas de localização e mapeamento, eliminando os erros acumulados e conseguindo mantê-las precisas mesmo após longos períodos de navegação. Essa solução foi testada em situações reais de navegação, e os resultados mostram uma melhora significativa nos resultados alcançados em relação àqueles obtidos com a utilização direta das informações coletadas. / The problem of simultaneous localization and mapping, known as the problem of SLAM, is one of the greatest obstacles that the field of autonomous robotics faces nowadays. This problem is related to a robots ability to navigate through an unknown environment, constructing a map of the regions it has already visited at the same time as localizing itself on this map. The imprecision inherent to the sensors used to collect information generates errors that accumulate over time, not allowing for a precise estimation of localization and mapping when used directly. SLAM algorithms try to eliminate these errors by taking advantage of their mutual dependence and solving both problems simultaneously, using the results of one step to refine the estimatives of the other. One possible way to achieve this is the establishment of landmarks in the environment that the robot can use as points of reference to localize itself while it navigates. This work presents a solution to the problem of SLAM using an omnidirectional vision system to detect these landmarks. The choice of visual sensors allows for the extraction of natural landmarks and robust matching under different points of view, as the robot moves through the environment. The omnidirectional vision amplifies the field of vision of the robot, increasing the number of landmarks observed at each instant. The detected landmarks are added to the map, and when they are later recognized they generate information that the robot can use to refine its estimatives of localization and mapping, eliminating accumulated errors and keeping them precise even after long periods of navigation. This solution has been tested in real navigational situations and the results show a substantial improvement in the results compared to those obtained through the direct use of the information collected.

O planejamento probabilístico de mapa de rotas tem se mostrado uma poderosa ferramenta para o planejamento de caminhos para robôs móveis, devido a sua eficiência computacional, simplicidade de implementação e escalabilidade em diferentes problemas. Este método de planejamento possui duas fases. Na fase de construção, um mapa de rotas é gerado de forma iterativa e incremental, e armazenado na forma de um grafo G, cujos vértices são configurações livres, amostradas no espaço de configurações do robô e cujas arestas correspondem a caminhos livres de colisão entre tais configurações. Na fase de questionamento, dadas quaisquer configurações de origem e destino, \'alfa\' e \'beta\' respectivamente, o planejador conecta \'alfa\' e \'beta\' à G inserindo arestas que correspondem a caminhos livres de colisão, para então procurar por um caminho entre \'alfa\' e \'beta\' em G. Neste trabalho o foco reside principalmente na fase de construção do mapa de rotas. O objetivo aqui consiste em efetuar uma análise comparativa de diversas combinações de diferentes técnicas de amostragem das configurações livres e de diferentes técnicas de seleção de vértices em G, todas implementadas em um único sistema e aplicadas aos mesmos cenários. Os resultados propiciam um valioso auxílio aos usuários do planejamento probabilístico de mapas de rotas na decisão da melhor combinação para suas aplicações. / The probabilistic roadmap planning has emerged as a powerful framework for path planning of mobile robots due to its computational efficiency, implementation simplicity, and scalability in different problems. This planning method proceeds in two phases. In the construction phase a roadmap is incrementally constructed and stored as a graph G whose nodes are free configurations sampled on the robot\'s configuration space and whose edges correspond to collision-free paths between these configurations. In the query phase, given any start and goal configurations, \'alfa\' and \'beta\' respectively, the planner first connects \'alfa\' and \'beta\' to G by adding edges that correspond to collision-free paths, and then searches for a path in G between \'alfa\' and \'beta\'. In this work, we address mainly the roadmap construction phase. The goal here is to provide a comparative analysis of a number of combinations of different techniques for sampling free configurations and different node adding techniques, all implemented in a single system and applied to the same test workspace. Results help probabilistic roadmap planning users to choose the best combination for their applications.

Este trabalho trata da modelagem dinâmica e do projeto de sistemas de controle para um robô manipulador de arquitetura paralela assimétrica de três graus de liberdade, correspondente a três translações de seu efetuador no espaço tridimensional, concebido para tarefas de pega-e-põe (pick-and-place). Dentre os desenvolvimentos teóricos, procurou-se estender, para toda gama de robôs paralelos e topologicamente assimétricos, a abrangência dos procedimentos aplicados inicialmente a este caso específico. Foram empregados o Método de Lagrange e o Princípio dos Trabalhos Virtuais na obtenção de modelos dinâmicos baseados em hipóteses simplificadoras de corpos rígidos de massas concentradas e de massas distribuídas. Para o projeto de controladores, foram utilizadas as técnicas de torque computado e torque computado estendido. As formulações correspondentes a estas técnicas foram aprimoradas de forma a permitir o cálculo de esforços de controle de modo equivalente tanto nas coordenadas dos atuadores como nas coordenadas do efetuador e em conformidade com os requisitos de resposta dinâmica definidos para o robô. Tais requisitos podem ser inclusive anisotrópicos, o que se julga ser mais apropriado para robôs paralelos assimétricos. Particularmente em relação ao robô analisado, foram avaliados efeitos de simplificação do modelo dinâmico e da discretização do controlador (incluindo discretização com dupla frequência de amostragem) sobre os erros de controle de posição. Percebeu-se que os requisitos de alto desempenho das tarefas de pega-epõe levam o projeto do controlador ao limite de validade da hipótese simplificadora de corpo rígido e da capacidade de processamento do hardware de controle. / This work deals with the dynamic modeling and the design of control systems for an asymmetric parallel manipulator robot with three degrees of freedom, related to three translations of its end-effector in the tridimensional space, conceived for pick-andplace tasks. Among the theoretical developments, one of them was the extension of the proposed procedures, initially applied to this specific case, to the whole class of topologically asymmetric and parallel mechanisms. The Lagrange Method and the Principle of Virtual work were employed in order to build dynamic models based on rigid body assumption with either lumped or distributed mass simplification hypothesis. For the controllers design, computed torque and extended computed torque techniques were used. The formulations of such techniques were elaborated in order to allow the calculation of the control efforts to be executed equivalently both on the actuators coordinates and on the end-effector coordinates, in accordance with the dynamic response requirements defined for the robot. These requirements may be even anisotropic, what is considered to be more suitable for asymmetric parallel robots. Particularly about the analyzed robot, the effects of dynamic model simplification and controller discretization (including double sample rate discretization) on the position control errors were evaluated. It was realized that the high performance requirements for pick-and-place tasks push the controller design to the limit of validity of the rigid body assumption and of the control hardware processing capacity.

Este trabalho apresenta uma arquitetura de controle de movimento entre duas posturas distintas para um robô móvel sob rodas com acionamento diferencial em um ambiente estruturado e livre de obstáculos. O conceito clássico de eficiência foi utilizado para a definição das estratégias de controle: um robô se movimenta de forma eficiente quando realiza a tarefa determinada no menor tempo e utilizando menor quantidade energética. A arquitetura proposta é um recorte do modelo de Controle Hierárquico Aninhado (NHC), composto por três níveis de abstração: (i) Planejamento de Caminho, (ii) Planejamento de Trajetória e (iii) Rastreamento de Trajetória. O Planejamento de Caminho proposto suaviza uma geodésica Dubins - o caminho mais eficiente - por uma Spline Grampeada para que este caminho seja definido por uma curva duplamente diferenciável. Uma transformação do espaço de configuração do robô é realizada. O Planejamento de Trajetória é um problema de otimização convexa na forma de Programação Cônica de Segunda Ordem, cujo objetivo é uma função ponderada entre tempo e energia. Como o tempo de percurso e a energia total consumida pelo robô possui uma relação hiperbólica, um algoritmo de sintonia do coeficiente de ponderação entre estas grandezas é proposta. Por fim, um Rastreador de Trajetória de dupla malha baseado em linearização entrada-saída e controle PID é proposto, e obteve resultados satisfatórios no rastreamento do caminho pelo robô. / This work presents a motion control architecture between two different positions for a differential driven wheeled mobile robot in a obstacles free structured environment. The classic concept of efficiency was used to define the control strategies: a robot moves efficiently when it accomplishes the determined task in the shortest time and using less amount of energy. The proposed architecture is a clipping of the Nested Hierarchical Controller (NHC) model, composed of three levels of abstraction: (i) Path Planning, (ii) Trajectory Planning and (iii) Trajectory Tracking. The proposed Path Planning smoothes a geodesic Dubins - the most efficient path - by a Clamped Spline as this path is defined by a twice differentiable curve. A transformation of the robot configuration space is performed. The Trajectory Planning is a convex optimization problem in the form of Second Order Cone Programming, whose objective is a weighted function between time and energy. As the travel time and the total energy consumed by the robot has a hyperbolic relation, a tuning algorithm to the weighting is proposed. Finnaly, a dual-loop Trajectory Tracker based on input-output feedback linearization and PID control is proposed, which obtained satisfactory results in tracking the path by the robot.

Este trabalho aborda o problema de planejamento de caminhos em robótica móvel autônoma utilizando campos potenciais. Dentre as várias técnicas de campos potenciais para controlar robôs, encontram-se as técnica de Campos Potenciais de Khatib1 (CP), Campo Potencial Harmônico (CPH), Campo Potencial Orientado (CPO) e Campo Potencial Localmente Orientado (CPLO). As técnicas CPH, CPO e CPLO são chamadas de técnicas baseadas em Problema de Valor de Contorno (PVC), pois são obtidas a partir de soluções de Equações Diferenciais Parciais (EDP) Elípticas em uma determinada condição de contorno, é obtido um sistema planejador de caminhos. Tais técnicas necessitam de uma etapa de solução de sistemas lineares, na qual se utiliza métodos iterativos, decorrentes da aplicação do método de diferenças finitas como solucionador das EDP. No presente trabalho, as técnicas de Campos Potenciais baseados em PVC foram estudadas e implementadas (usando processamento sequencial e paralelo), de modo a obter resultados de forma mais rápida e confiável. Foram utilizadas arquiteturas paralelas do tipo manycore. Finalmente, são feitas análises comparativas entre os vários métodos implementados. Todos os métodos estão prontos para serem incorporados tanto no simulador quanto nos times de robôs em desenvolvimento pelo grupo Warthog Robotics / This works details the task o path planning in autonomous mobile robots using potential fields techniques. Among potential fields techniques to control robots, there are Khatibs Potential Field2 (KPF), Harmonic Potential Field (HPF), Oriented Potential Field (OPF) and Locally Oriented Potential Field (LOPF). The HPF, OPF and LOPF techniques are called Boundary Value Problem (BVP) based, bacause they are obtained from numerical solutions of Elliptic Partial Differential Equations (PDE) in a well-defined boundary condition. These techniques go through a step of solving linear systems, in which is used iterative methods, that came from numerical solution of PDE. In this work, potential fields BVP based was studied and coded (using sequential and parallel architectures), to obtain results more quickly and reliably. And, finally, a comparative analyses of the various methods implemented are made. All methods are ready to be incorporated in the intelligent systens that are being developed by Warthog Robotics