Este trabalho trata do estudo de concepções de arquitetura do controle aplicadas aos robôs móveis autônomos e da proposição de um delas à instrumentação e controle em tempo real de um modelo de embarcação naval de alto desempenho. Tal veículo remotamente operado foi desenvolvido como parte das atividades do projeto temático "Comportamento em Ondas de Embarcações de Alto Desempenho" (proc.Fapesp 1997/13090-3). Realizou-se uma investigação dos diversos paradigmas de inteligência artificial que orientaram a evolução dos robôs móveis autônomos até o presente momento e, em particular, as concepções baseadas em modelos sócio-antropológicos e computacionais (teoria de agentes e orientação a objetos) através de sua aplicação à implementação de um sistema de aquisição e controle orientado a objetos, modelado através da UML (Unified Modeling Language), para o veículo mencionado. Testes de validação da arquitetura do controle foram realizados, sendo obtidos resultados experimentais que permitiram análises a respeito da dinâmica, manobrabilidade e navegação do veículo, as quais sugerem vários aperfeiçoamentos para o sistema de hardware e software em trabalhos futuros. / This work deals with the study of control architecture approaches applied to autonomous mobile robots, and proposes one of them for the control system of a self-propelled high speed ship model. Such unmanned vehicle was developed for the research project “Comportamento em Ondas de Embarcações de Alto Desempenho” (proc. FAPESP 1997/13090-3). A number of artificial intelligence paradigms, related to the autonomous robot evolution up to now, were investigated. Models based on the socio-anthropological paradigm and the corresponding computer science approaches, i.e. agent theory and object-oriented modeling, were emphasized. Object-oriented control software based on the UML (Unified Modeling Language) was designed for the real-time embedded system of the ship model. Validation tests of the control architecture were carried out. Experimental results, related to vehicle dynamics, maneuverability and navigation were acquired by the embedded system and analyzed in this work. These results suggest a number of improvements for future works on the software and hardware systems.

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.

Na área de robótica móvel autônoma é importante que o robô siga uma trajetória livre de obstáculos. Estes podem ser desde obstáculos estáticos, como paredes e cadeiras em um ambiente interno, ou mesmo obstáculos móveis, como pessoas caminhando na calçada e carros passando pela rua, quando consideramos ambientes externos. No caso de um ambiente estático, o problema pode ser resolvido planejando uma trajetória livre de colisões, sendo que não é necessário um replanejamento se todos os obstáculos estáticos foram considerados. Para ambientes onde os obstáculos estão em constante movimento, é necessário um constante replanejamento da trajetória para que se evite colisões. Alternativamente, pode ser verificada a possibilidade de se manter na rota planejada, alterando apenas a velocidade de cruzeiro do robô para que este desvie dos obstáculos móveis. Este trabalho propõe uma metodologia para calcular uma velocidade de cruzeiro para o robô de forma a minimizar a probabilidade de colisão com os obstáculos detectados pelos seus sensores. A escolha da variação de velocidade para o robô considera a sua velocidade atual, e as velocidades estimadas para os obstáculos. A metodologia para resolução deste problema é apresentada considerando incertezas na posição do robô e obstáculos. São apresentados resultados de simulação que exemplificam a aplicação da metodologia. / Following a free path is an important issue in the area of autonomous mobile robotics. The obstacles can be anything from walls and chairs in an indoor environment, or they can also be people walking on the sidewalk and cars moving through the street. In the case of a static environment, the problem can be solved by planning a path free from collisions, thus it is not essential another path planning as all static obstacles were considered. For an environment were the obstacles are constantly moving, it is necessary an unceasing path replanning to avoid possible collisions. Alternatively, keeping the robot on the previously calculated path can be verified modifying the robot\'s traffic velocity to avoid moving obstacles. Our proposal is to calculate a velocity for the robot which minimizes its collision probability with moving obstacles detected by its sensors. Varying the robot\'s velocity takes into account its current velocity and the estimated velocities of obstacles. The methodology for solving this problem is presented regarding uncertainties in robots and obstacles\' positions. Results from simulations that exemplifies an application for the methodology are presented.

Nesta dissertação é apresentado um estudo comparativo entre seis controladores H \'infinito\' não lineares aplicados em um robô móvel com rodas. Três estratégias de controle são avaliadas. Na primeira, o modelo do robô é considerado completamente conhecido. Na segunda, o modelo matemático é considerado desconhecido e é realizada uma estimativa baseada em métodos inteligentes. E finalmente, na terceira estratégia, o modelo nominal é conhecido e técnicas inteligentes são usadas para estimar somente incertezas paramétricas do robô. As técnicas inteligentes usadas são baseadas em redes neurais e em lógica fuzzy. Esses controladores são resolvidos através de desigualdades matriciais lineares (DMLs) e equações algébricas de Riccati. Todos os resultados obtidos são baseados em dados experimentais. / This dissertation is present a comparative study between six nonlinear H \'infinity\' controllers applied to a wheeled mobile robot. Three control strategies are adopted. In the first, the model of the robot is considered completely known. In the second, the mathematical model is considered unknown and is accomplished an estimate based on intelligent methods. And finally, in the third strategy, the nominal model is known and intelligent techniques are used only to estimate parametric uncertainties of the robot. The intelligent techniques used are based in neural networks and in fuzzy logic. These controllers are solved via linear matrix inequalities (LMIs) and algebraic Riccati equations. All results obtained are based in experimental data.

Avanços nas pesquisas em Veículos Agrícolas Autônomos (VAA\'s) e de Robôs Agrícolas Móveis (RAM\'s) têm sido conquistados nos últimos anos. Entretanto, um número limitado de trabalhos foca o desenvolvimento das estruturas destes veículos. O presente trabalho apresenta uma revisão de materiais encontrados na literatura e no mercado. Estudou-se modelagem cinemática de veículos autônomos que possuem configurações de suas estruturas projetadas para ter mobilidade melhorada. Estudaram-se estruturas mecânicas de máquinas que atuam em vários estádios de desenvolvimento de lavouras típicas brasileiras. Baseado no levantamento e esse estudo, foi projetado e construído um veículo com conceito modular e de pórtico para ser uma plataforma robótica no qual é utilizado para o sensoriamento em área agrícola. Uma modelagem cinemática simplificada do veículo foi realizada, fundamentada nos conceitos básicos de cinemáticas em robôs móveis. Por fim é apresentado o desenvolvimento da estrutura em pórtico do veículo. Pretende-se que o resultado auxilie no desenvolvimento de projeto de VAA\'s. / Advance on AAV (Autonomous Agriculture Vehicle) and MAR (Mobile Agriculture Robots) research are noticed in the recent years. However, a limited number of works focus in the structure development of such vehicles. This work introduces a review of the materials found in literature and market. Kinematics models of Autonomous Vehicles that have its structures designed to have mobility improved have been studied. It was studied mechanical structures of machines that act in various stages of typical brazilians crops. Based on this study and survey, a vehicle has been built with a modular concept and portal frame structure format to be used as a robotic platform in which it performs remote sensing in agricultural areas. A simplified Kinematic model have been done using basics concepts of mobile robots kinematics. At the end of this work is presented the portal frame structure development. The results obtained may assist in the design development of AAV\'s.

A robótica móvel autônoma é uma área relativamente recente que tem como objetivo a construção de mecanismos capazes de executar tarefas sem a necessidade de um controlador humano. De uma forma geral, a robótica móvel defronta com três problemas fundamentais: mapeamento de ambientes, localização e navegação do robô. Sem esses elementos, o robô dificilmente poderia se deslocar autonomamente de um lugar para outro. Um dos problemas existentes nessa área é a atuação de robôs móveis em ambientes externos como parques e regiões urbanas, onde a complexidade do cenário é muito maior em comparação aos ambientes internos como escritórios e casas. Para exemplificar, nos ambientes externos os sensores estão sujeitos às condições climáticas (iluminação do sol, chuva e neve). Além disso, os algoritmos de navegação dos robôs nestes ambientes devem tratar uma quantidade bem maior de obstáculos (pessoas, animais e vegetações). Esta dissertação apresenta o desenvolvimento de um sistema de classificação da navegabilidade de terrenos irregulares, como por exemplo, ruas e calçadas. O mapeamento do cenário é realizado através de uma plataforma robótica equipada com um sensor laser direcionado para o solo. Foram desenvolvidos dois algoritmos para o mapeamento de terrenos. Um para a visualização dos detalhes finos do ambiente, gerando um mapa de nuvem de pontos e outro para a visualização das regiões próprias e impróprias para o tráfego do robô, resultando em um mapa de navegabilidade. No mapa de navegabilidade, são utilizados métodos de aprendizado de máquina supervisionado para classificar o terreno em navegável (regiões planas), parcialmente navegável (grama, casacalho) ou não navegável (obstáculos). Os métodos empregados foram, redes neurais artificais e máquinas de suporte vetorial. Os resultados de classificação obtidos por ambos foram posteriormente comparados para determinar a técnica mais apropriada para desempenhar esta tarefa / Autonomous mobile robotics is a recent research area that focus on the construction of mechanisms capable of executing tasks without a human control. In general, mobile robotics deals with three fundamental problems: environment mapping, robot localization and navigation. Without these elements, the robot hardly could move autonomously from a place to another. One problem of this area is the operation of the mobile robots in outdoors (e.g. parks and urban areas), which are considerably more complex than indoor environments (e.g. offices and houses). To exemplify, in outdoor environments, sensors are subjected to weather conditions (sunlight, rain and snow), besides that the navigation algorithms must process a larger quantity of obstacles (people, animals and vegetation). This dissertation presents the development of a system that classifies the navigability of irregular terrains, like streets and sidewalks. The scenario mapping has been done using a robotic platform equipped with a laser range finder sensor directed to the ground. Two terrain mapping algorithms has been devolped. One for environment fine details visualization, generating a point cloud map, and other to visualize appropriated and unappropriated places to robot navigation, resulting in a navigability map. In this map, it was used supervised learning machine methods to classify terrain portions in navigable (plane regions), partially navigable (grass, gravel) or non-navigable (obstacles). The classification methods employed were artificial neural networks and support vector machines. The classification results obtained by both were later compared to determine the most appropriated technique to execute this task

Este trabalho trata do estudo de concepções de arquitetura do controle aplicadas aos robôs móveis autônomos e da proposição de um delas à instrumentação e controle em tempo real de um modelo de embarcação naval de alto desempenho. Tal veículo remotamente operado foi desenvolvido como parte das atividades do projeto temático "Comportamento em Ondas de Embarcações de Alto Desempenho" (proc.Fapesp 1997/13090-3). Realizou-se uma investigação dos diversos paradigmas de inteligência artificial que orientaram a evolução dos robôs móveis autônomos até o presente momento e, em particular, as concepções baseadas em modelos sócio-antropológicos e computacionais (teoria de agentes e orientação a objetos) através de sua aplicação à implementação de um sistema de aquisição e controle orientado a objetos, modelado através da UML (Unified Modeling Language), para o veículo mencionado. Testes de validação da arquitetura do controle foram realizados, sendo obtidos resultados experimentais que permitiram análises a respeito da dinâmica, manobrabilidade e navegação do veículo, as quais sugerem vários aperfeiçoamentos para o sistema de hardware e software em trabalhos futuros. / This work deals with the study of control architecture approaches applied to autonomous mobile robots, and proposes one of them for the control system of a self-propelled high speed ship model. Such unmanned vehicle was developed for the research project “Comportamento em Ondas de Embarcações de Alto Desempenho" (proc. FAPESP 1997/13090-3). A number of artificial intelligence paradigms, related to the autonomous robot evolution up to now, were investigated. Models based on the socio-anthropological paradigm and the corresponding computer science approaches, i.e. agent theory and object-oriented modeling, were emphasized. Object-oriented control software based on the UML (Unified Modeling Language) was designed for the real-time embedded system of the ship model. Validation tests of the control architecture were carried out. Experimental results, related to vehicle dynamics, maneuverability and navigation were acquired by the embedded system and analyzed in this work. These results suggest a number of improvements for future works on the software and hardware systems.

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

CAPES / Mobile robot applications that involve automated exploration and inspection of environments are often dependant on novelty detection, the ability to differentiate between common and uncommon perceptions. Because novelty can be anything that deviates from the normal context, we argue that in order to implement a novelty filter it is necessary to exploit the robot's sensory data from the ground up, building models of normality rather than abnormality. In this work we use unrestricted colour visual data as perceptual input to on-line incremental learning algorithms. Unlike other sensor modalities, vision can provide a variety of useful information about the environment through massive amounts of data, which often need to be reduced for realtime operation. Here we use mechanisms of visual attention to select candidate image regions to be encoded and fed to higher levels of processing, enabling the localisation of novel features within the input image frame. An extensive series of experiments using visual input, obtained by a real mobile robot interacting with laboratory and medium-scale real world environments, are used to discuss different visual novelty filter configurations. We compare performance and functionality of novelty detection mechanisms based on the Grow-When-Required neural network and incremental Principal Component Analysis. Results are assessed using both qualitative and quantitative methods, demonstrating advantages and disadvantages of each investigated approach.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:06:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 4765.pdf: 5526051 bytes, checksum: eca7635e3ad1f0a28a9f3871c97aac57 (MD5) Previous issue date: 2012-11-12 / Universidade Federal de Sao Carlos / Autonomous mobile robots are machines capable of executing repetitive/dangerous tasks more efficiently. Most of them have an embedded software which is responsible for their execution. Over the last years, the complexity of these applications has continuously growing and they are presenting challenges that are uncommon to traditional information systems development. Therefore, any technique that can support their development is a great contribution. A technique that improves the productivity is to use domain-specific languages (DSLs). These are modeling and programming languages whose constructs are concepts and abstractions of a particular domain. It frees developers from worrying about generic programming concepts (classes, objects, attributes, etc.) and allows them to focus on the problem to be solved. As creating a DSL is not a trivial task and pointing the idiosyncrasies of mobile robots, this dissertation presents an approach for engineering DSLs to mobile robots. The aim is to make the activity of creating DSLs to this domain more systematic and controlled. In this approach, an application is taken as input and a series of domain statements is extracted from it. These statements are classified into categories and each one of them are analized in order to extract commonalities and variabilities, wich are transformed into components of a DSL. An important characteristic of the approach is that it asks for just one application to reach a first version of a running DSL. We suggest that the same DSL can be evolved just by applying the approach again using another application as input. So new components could be created and the existing ones could be modified. We also present a generic language model providing a foundation architecture that allows one to easily create new DSLs by extending it. Two proofs of concept are presented in order to exemplify the application of our approach. / Robôs móveis autônomos são máquinas com potencial para realizar atividades repetitivas ou de alta periculosidade com mais eficácia. Muitos possuem um software embarcado responsável pelo seu funcionamento. Nos últimos anos, a complexidade dessas aplicações robóticas embarcadas tem crescido continuamente e apresentam desafios que são incomuns ao desenvolvimento dos tradicionais sistemas de informação. Portanto, toda técnica que dê suporte a esse tipo de desenvolvimento pode contribuir significativamente. Uma técnica que permite o aumento de produtividade é a utilização de linguagens específicas de domínio (DSLs). Essas são linguagens de modelagem e programação cujas construções são conceitos e abstrações de um domínio de aplicação em particular. Isso desobriga o desenvolvedor de se preocupar com conceitos genéricos de programação (classes, objetos, atributos, etc.) para focar-se no problema a ser resolvido. Como o desenvolvimento de uma DSL não é uma tarefa trivial e tendo em vista as idiossincrasias dos robôs móveis autônomos, esta dissertação apresenta uma abordagem para construção de DSLs para robôs móveis. O objetivo é deixar mais sistemática e controlada a criação de DSLs para esse domínio. Nessa abordagem, uma aplicação é tomada como entrada e dela extraem-se declarações a respeito do domínio. Essas declarações são categorizadas e, para cada categoria, são levantadas partes comuns e variáveis. Então, essas partes são transformadas em componentes de uma DSL. Uma característica importante da abordagem apresentada é que uma versão inicial da DSL pode ser alcançada tendo apenas uma aplicação como base. Sugere-se que essa mesma DSL possa evoluir pela reaplicação da abordagem tendo uma nova aplicação como entrada. Dessa forma, novos componentes podem ser criados e os existentes, modificados. Também é apresentado um modelo genérico de linguagem que fornece uma arquitetura básica, permitindo que novas DSLs sejam facilmente construídas pela extensão da mesma. Duas provas de conceito são apresentadas com a intenção de exemplificar a aplicação da abordagem.