Orientador: Juan Francisco Camino dos Santos / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-28T04:17:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Burghi_ThiagoBassinello_M.pdf: 1840182 bytes, checksum: 3a2bb5b751172b5b4c8d9b1647b20748 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: O controle do movimento de robôs móveis em altas velocidades e sob condições adversas do solo é um problema difícil, pois as rodas do robô podem estar sujeitas a diferentes tipos de deslizamento. O deslizamento lateral é um problema particularmente complicado quando se lida com robôs móveis de tração diferencial, já que suas rodas não podem produzir movimento nessa direção. Este trabalho apresenta uma aplicação de alguns resultados da Teoria de Lyapunov para sistemas não lineares perturbados. A abordagem proposta pode ser vista como um método de análise de controladores cinemáticos de robôs móveis sujeitos a deslizamentos laterais e longitudinais. Um exemplo de aplicação é dado ao se analisar a estabilidade de um robô móvel de tração diferencial quando este é controlado por uma lei adaptativa não linear cinemática capaz de estimar o deslizamento longitudinal. É mostrado que sob condições razoáveis, as soluções da dinâmica do erro de postura do robô são uniformemente finalmente limitadas. Simulações numéricas são apresentadas para ilustrar esse exemplo. Para tratar um problema de otimização que surge durante a análise de estabilidade, técnicas de decomposição em soma de quadrados (SOS) para otimização polinomial são estudadas e aplicadas. Um estudo minucioso dos recursos computacionais necessários para a resolução de problemas de decomposição SOS também é apresentado / Abstract: Motion control of mobile robots at high speeds and under adverse ground conditions is a difficult problem because the robots¿ wheels may be subject to different kinds of slip. Lateral slip is a particularly complicated problem for differential drive mobile robots to deal with, since their wheels cannot directly produce movement in that direction. This work presents an application of some results from Lyapunov Theory for nonlinear perturbed systems. The proposed approach can be seen as a method for analyzing kinematic controllers of mobile robots subject to longitudinal and lateral slip. An example of application is given by analyzing the stability of a differential drive mobile robot when it is controlled by an adaptive nonlinear kinematic controller capable of estimating longitudinal slip. It is shown that under reasonable conditions, the solutions to the robot¿s posture error dynamics are uniformly ultimately bounded. Numerical simulations are presented to illustrate this example. To tackle an optimization problem which arises during the stability analysis, SOS techniques for polynomial optimization are studied and applied. A thorough study of the computational resources required for solving SOS problems is also presented / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica / 33003017 / CAPES

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 apresenta um sistema de auxilio à navegação autônoma para veículos terrestres com foco em ambientes estruturados em um cenário agrícola. É gerada a estimativa das posições dos obstáculos baseado na fusão das detecções provenientes do processamento dos dados de duas câmeras, uma estéreo e outra térmica. Foram desenvolvidos três módulos de detecção de obstáculos. O primeiro módulo utiliza imagens monoculares da câmera estéreo para detectar novidades no ambiente através da comparação do estado atual com o estado anterior. O segundo módulo utiliza a técnica Stixel para delimitar os obstáculos acima do plano do chão. Por fim, o terceiro módulo utiliza as imagens térmicas para encontrar assinaturas que evidenciem a presença de obstáculo. Os módulos de detecção são fundidos utilizando a Teoria de Dempster-Shafer que fornece a estimativa da presença de obstáculos no ambiente. Os experimentos foram executados em ambiente agrícola real. Foi executada a validação do sistema em cenários bem iluminados, com terreno irregular e com obstáculos diversos. O sistema apresentou um desempenho satisfatório tendo em vista a utilização de uma abordagem baseada em apenas três módulos de detecção com metodologias que não tem por objetivo priorizar a confirmação de obstáculos, mas sim a busca de novos obstáculos. Nesta dissertação são apresentados os principais componentes de um sistema de detecção de obstáculos e as etapas necessárias para a sua concepção, assim como resultados de experimentos com o uso de um veículo real. / This work presents a support system to the autonomous navigation for ground vehicles with focus on structured environments in an agricultural scenario. The estimated obstacle positions are generated based on the fusion of the detections from the processing of data from two cameras, one stereo and other thermal. Three modules obstacle detection have been developed. The first module uses monocular images of the stereo camera to detect novelties in the environment by comparing the current state with the previous state. The second module uses Stixel technique to delimit the obstacles above the ground plane. Finally, the third module uses thermal images to find signatures that reveal the presence of obstacle. The detection modules are fused using the Dempster-Shafer theory that provides an estimate of the presence of obstacles in the environment. The experiments were executed in real agricultural environment. System validation was performed in well-lit scenarios, with uneven terrain and different obstacles. The system showed satisfactory performance considering the use of an approach based on only three detection modules with methods that do not prioritize obstacle confirmation, but the search for new ones. This dissertation presents the main components of an obstacle detection system and the necessary steps for its design as well as results of experiments with the use of a real vehicle.

Made available in DSpace on 2015-03-05T13:59:42Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 22 / Nenhuma / Este trabalho está relacionado com a aplicação de técnicas de Inteligência Artificial no desenvolvimento de um Sistema Multi-Agente robótico aplicado ao problema da monitoração e combate a incêndios em áreas florestais. O objetivo macro é evoluir estratrégias de formação de equipes de combate a incêndio (unidade de controle) e criar métodos robustos de navegação em agentes robóticos (unidades de combate), considerando um ambiente virtual de simulação realística.No sistema proposto, uma equipe de agentes autônomos trabalha cooperativamente a fim de realizar com sucesso a identificação e o combate a incêndios em áreas florestais, sem intervenção humana. O ambiente virtual 3D suporta uma série de características fundamentais para a simulação realística da operação, como terrenos irregulares, processos naturais e restrições físicas na criação e uso de robôs móveis. Este ambiente foi implementado através do uso das bibliotecas OSG, ODE e Demeter. A operacão multi-agente depende essencialmente de duas etapas: p / This work is related to the application of Artificial Intelligence techniques to develop a Multi-Agent Robotic System applied to the problem of monitoring wild forest fires and to the execution of fire fighting actions. Our main goal was to evolve strategies (control unit) in order to define the positioning of the fire-fighting autonomous robotic team and to create robust navigation methods used to control robotic agents (combat units). This work was developed based on simulations accomplished using a realistic 3D virtual environment, specially implemented for this purpose, using the software libraries OSG, Demeter and ODE. In the proposed system, a team of autonomous agents work cooperatively in order to successfully perform the identification and fighting of forest fires, without any human intervention. The 3D virtual environment includes several features for realistic simulation of this task, as for example, adoption of irregular terrains, natural processes simulation (e.g. fire propagation), and simulati

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:05:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 3769.pdf: 7885518 bytes, checksum: 7723f0868651af930744610d4adb9ccb (MD5) Previous issue date: 2011-05-30 / Financiadora de Estudos e Projetos / Embedded systems have been used in a myriad of devices that are present in our daily lives, thereby the market for such sort of system has increased significantly over the last few years. These systems were once associated with low-level code, however, this is an outdated view of embedded systems technology. Although the current embedded systems are mostly composed of software, no systematic reuse technique is used in throughout their development. Thus, since previous successful experiences are not reused, forcing the developer to create some of the involved elements from the scratch, there is a considerable delay in the production of these systems. Due to the ever increasing complexity of embedded systems it is necessary to apply reuse techniques in order to lessen the effort needed to develop such systems. Within this context, software product lines (SPL) are reuse techniques that allow the creation of several systems belonging to a certain domain. SPL can be used to generate products of a specific domain that share common features but are each different in a specific way. Model-driven development is another reuse technique whose main objective is to reduce the semantic distance between the domain problem and its solution/implementation; thus, the developer does not need to direct interact with the solution source code, being able to focus on models and transforming those models in source code or yet other models. Based on these techniques, a process for the development of SPL in the domain of mobile robots was developed. In order to properly use the proposed process, a SPL called LegoMobileRobots Software Product Line (LMRSPL) was devised. Moreover, a domain specific language (DSL) was also developed. This DSL, called F2MoC, assists the application engineer in instantiating LMRSPL members. / Sistemas embarcados são utilizados em vários dispositivos que fazem parte da vida cotidiana, de modo que o mercado de tais sistemas tem crescido de maneira expressiva. Esses sistemas sempre foram associados com código de baixo nível, no entanto, essa visão está desatualizada. Nas aplicações embarcadas correntes o software é a principal parcela, embora nenhuma técnica sistemática de reuso seja utilizada para sua concepção. Desse modo ocorre um atraso considerável na produtividade dos sistemas, uma vez que experiências anteriores bem sucedidas não são reaproveitadas, sendo necessário que o desenvolvedor comece do zero toda vez que um software for desenvolvido. Com a crescente complexidade dos sistemas embarcados é necessário utilizar técnicas de reuso para diminuir o atrasado da produção de tais sistemas. Nesse contexto, Linha de Produtos de Software (LPS) é definida como uma técnica de reuso que permite a construção de vários sistemas pertencentes a um mesmo domínio. LPS é aplicável para a geração de produtos específicos de um domínio, mas que possuem um conjunto de características comuns e pontos de variabilidades bem definidos. O Desenvolvimento de Software Orientado a Modelos (do inglês Model-Driven Development - MDD) é outra técnica de reuso na qual tem como principal objetivo reduzir a distância semântica entre o problema do domínio e solução/implementação, fazendo com que o engenheiro não precise interagir diretamente como o código-fonte, podendo se concentrar em modelos que possuem maiores níveis de abstração e posteriormente realizar transformações Model-To-Code e/ou Model-To-Model. A partir dessas técnicas de reuso é introduzido um processo para o desenvolvimento de linhas de produtos de software no domínio de Robôs Moveis. A fim de utilizar o processo proposto foi desenvolvida uma LPS intitulada LegoRobosMoveis Linha de Produtos de Software (LRMLPS). Adicionalmente, foi desenvolvida uma linguagem especifica de domínio denominada F2MoC que auxilia o engenheiro de aplicação na instanciação automática de membros da LRMLPS.

CAPES-DS / Em robótica móvel, um robô autônomo deve se deslocar por um ambiente sem colidir com os obstáculos ao seu redor. Com essa finalidade, várias pesquisas tem sido efetuadas ao longo dos anos, utilizando-se principalmente de sensores sonares para a aquisição de dados de distância aos obstáculos presentes no ambiente. A abordagem tradicional utilizada nesse conceito é baseada no tempo de voo do sinal ultrassônico, em que a distância entre robô e obstáculo é calculada através do período de tempo entre o envio e retorno do sinal. Essa técnica visa somente identificar a presença ou não de um obstáculo, resultando em representações de baixa resolução do ambiente, por não considerar características inerentes às reflexões ultrassônicas. Neste trabalho é apresentada uma nova abordagem, inspirada nas recentes pesquisas de imageamento através de ultrassom na área médica, com foco em problemas inversos. O objetivo é efetuar mapeamento de ambientes com uma melhor resolução e sem a necessidade da aquisição de múltiplas ondas ultrassônicas. As reconstruções das imagens foram realizadas a partir da aquisição das reflexões ultrassônicas utilizando sonares em um ambiente de testes controlado com apenas um obstáculo presente. Os experimentos efetuados visaram a comparação entre os principais métodos de reconstrução de imagens existentes, com foco em mapeamento de ambientes. Os métodos de reconstrução por problemas inversos apresentaram resultados promissores, principalmente se comparados ao método tradicional de reconstrução de imagens, delay and sum beamforming, da área médica. / An autonomous mobile robot must be able to move through an environment without colliding with obstacles. This subject has been investigated by researchers over the years, mainly using sonar sensors to acquire distance data. The traditional approach used in this concept is based on the time of flight technique, in which the distances between the robot and obstacles are computed using the period of time between sending and receiving the ultrasonic wave. This technique aims only at the detection of obstacles, reconstructing the environment in low resolution since it does not consider inherent characteristics of ultrasonic reflections. The present work introduces a new approach, based on recent research on medical image reconstruction. The goal is to achieve environmental mapping in higher resolution, but without the need to acquire multiple ultrasonic bursts. The image reconstructions were made through the acquisition of ultrasonic reflections using sonars in a controlled test environment containing only one obstacle. Experiments were conducted to compare some of the existing image reconstruction methods, focusing on environment mapping. Inverse problems showed promising results, especially when compared to the traditional method of medical image reconstruction, delay and sum beamforming.

CAPES-DS / Em robótica móvel, um robô autônomo deve se deslocar por um ambiente sem colidir com os obstáculos ao seu redor. Com essa finalidade, várias pesquisas tem sido efetuadas ao longo dos anos, utilizando-se principalmente de sensores sonares para a aquisição de dados de distância aos obstáculos presentes no ambiente. A abordagem tradicional utilizada nesse conceito é baseada no tempo de voo do sinal ultrassônico, em que a distância entre robô e obstáculo é calculada através do período de tempo entre o envio e retorno do sinal. Essa técnica visa somente identificar a presença ou não de um obstáculo, resultando em representações de baixa resolução do ambiente, por não considerar características inerentes às reflexões ultrassônicas. Neste trabalho é apresentada uma nova abordagem, inspirada nas recentes pesquisas de imageamento através de ultrassom na área médica, com foco em problemas inversos. O objetivo é efetuar mapeamento de ambientes com uma melhor resolução e sem a necessidade da aquisição de múltiplas ondas ultrassônicas. As reconstruções das imagens foram realizadas a partir da aquisição das reflexões ultrassônicas utilizando sonares em um ambiente de testes controlado com apenas um obstáculo presente. Os experimentos efetuados visaram a comparação entre os principais métodos de reconstrução de imagens existentes, com foco em mapeamento de ambientes. Os métodos de reconstrução por problemas inversos apresentaram resultados promissores, principalmente se comparados ao método tradicional de reconstrução de imagens, delay and sum beamforming, da área médica. / An autonomous mobile robot must be able to move through an environment without colliding with obstacles. This subject has been investigated by researchers over the years, mainly using sonar sensors to acquire distance data. The traditional approach used in this concept is based on the time of flight technique, in which the distances between the robot and obstacles are computed using the period of time between sending and receiving the ultrasonic wave. This technique aims only at the detection of obstacles, reconstructing the environment in low resolution since it does not consider inherent characteristics of ultrasonic reflections. The present work introduces a new approach, based on recent research on medical image reconstruction. The goal is to achieve environmental mapping in higher resolution, but without the need to acquire multiple ultrasonic bursts. The image reconstructions were made through the acquisition of ultrasonic reflections using sonars in a controlled test environment containing only one obstacle. Experiments were conducted to compare some of the existing image reconstruction methods, focusing on environment mapping. Inverse problems showed promising results, especially when compared to the traditional method of medical image reconstruction, delay and sum beamforming.

Orientadores: Fernando Jose Von Zuben, Mauricio Fernandes Figueiredo / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-06T19:35:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Michelan_Roberto_M.pdf: 4495515 bytes, checksum: aed72feefc89070579190e862ea0f740 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: A concepção de sistemas autônomos de navegação para robôs móveis, havendo múltiplos objetivos simultâneos a serem atendidos, como a coleta de lixo com manutenção da integridade, requer a adoção de técnicas refinadas de coordenação de módulos de comportamento elementar. Modelos de redes imunológicas artificiais podem então ser empregados na proposição de um controlador concebido com base em um processo de mapeamento dinâmico. Os anticorpos da rede são responsáveis pelos módulos de comportamento elementar, na forma de regras do tipo <condição>-<ação>, e as conexões são responsáveis pelos mecanismos de estímulo e supressão entre os anticorpos. A rede iniciará uma resposta imunológica sempre que lhe forem apresentados os antígenos. Estes antígenos representam a situação atual capturada pelos sensores do robô. A dinâmica da rede é baseada no nível de concentração dos anticorpos, definida com base na interação dos anticorpos e dos anticorpos com os antígenos. De acordo com o nível de concentração, um anticorpo é escolhido para definir a ação do robô. Um processo evolutivo é então responsável por definir um padrão de conexões para a rede imunológica, a partir de uma população de redes candidatas, capaz de maximizar o atendimento dos objetivos durante a navegação. Resulta então um sistema híbrido que tem a rede imunológica como responsável por introduzir um processo dinâmico de tomada de decisão e tem agora a computação evolutiva como responsável por definir a estrutura da rede. Para que fosse possível avaliar os controladores (redes imunológicas) a cada geração do processo evolutivo, um ambiente virtual foi desenvolvido para simulação computacional, com base nas características do problema de navegação. As redes imunológicas obtidas através do processo evolutivo foram analisadas e testadas em novas situações, apresentando capacidade de coordenação em tarefas simples e complexas. Os experimentos preliminares com um robô real do tipo Khepera II indicaram a eficácia da ferramenta de navegação / Abstract: The design of an autonomous navigation system for mobile robots, with simultaneous objectives to be satisfied, as garbage collection with maintenance of integrity, requires refined coordination mechanisms to deal with modules of elementary behavior. Models of artificial immune networks can then be applied to produce a controller based on dynamic mapping. The antibodies of the immune network are responsible for the modules of elementary behavior, in the form of <condition>-<action> rules, and the connections are responsible for the mechanisms of stimulation and suppression of antibodies. The network will always start an immune response when antigens are presented. These antigens represent the current output of the robot sensors. The network dynamics is based on the levels of antibody concentration, provided by interaction among antibodies, and among antibodies and antigens. Based on its concentration level, an antibody is chosen to define the robot action. An evolutionary process is then used to define the connection pattern of the immune network, from a population of candidate networks, capable of maximizing the objectives during navigation. As a consequence, a hybrid system is conceived, with an immune network implementing a dynamic process of decision-making, and an evolutionary algorithm defining the network structure. To be able to evaluate the controllers (immune networks) at each iteration of the evolutionary process, a virtual environment was developed for computer simulation, based on the characteristics of the navigation problem. The immune networks obtained by evolution were analyzed and tested in new situations and presented coordination capability in simple and complex tasks. The preliminary experiments on a real Khepera II robot indicated the efficacy of the navigation tool / Mestrado / Engenharia de Computação / Mestre em Engenharia Elétrica

Este trabalho apresenta um sistema de auxilio à navegação autônoma para veículos terrestres com foco em ambientes estruturados em um cenário agrícola. É gerada a estimativa das posições dos obstáculos baseado na fusão das detecções provenientes do processamento dos dados de duas câmeras, uma estéreo e outra térmica. Foram desenvolvidos três módulos de detecção de obstáculos. O primeiro módulo utiliza imagens monoculares da câmera estéreo para detectar novidades no ambiente através da comparação do estado atual com o estado anterior. O segundo módulo utiliza a técnica Stixel para delimitar os obstáculos acima do plano do chão. Por fim, o terceiro módulo utiliza as imagens térmicas para encontrar assinaturas que evidenciem a presença de obstáculo. Os módulos de detecção são fundidos utilizando a Teoria de Dempster-Shafer que fornece a estimativa da presença de obstáculos no ambiente. Os experimentos foram executados em ambiente agrícola real. Foi executada a validação do sistema em cenários bem iluminados, com terreno irregular e com obstáculos diversos. O sistema apresentou um desempenho satisfatório tendo em vista a utilização de uma abordagem baseada em apenas três módulos de detecção com metodologias que não tem por objetivo priorizar a confirmação de obstáculos, mas sim a busca de novos obstáculos. Nesta dissertação são apresentados os principais componentes de um sistema de detecção de obstáculos e as etapas necessárias para a sua concepção, assim como resultados de experimentos com o uso de um veículo real. / This work presents a support system to the autonomous navigation for ground vehicles with focus on structured environments in an agricultural scenario. The estimated obstacle positions are generated based on the fusion of the detections from the processing of data from two cameras, one stereo and other thermal. Three modules obstacle detection have been developed. The first module uses monocular images of the stereo camera to detect novelties in the environment by comparing the current state with the previous state. The second module uses Stixel technique to delimit the obstacles above the ground plane. Finally, the third module uses thermal images to find signatures that reveal the presence of obstacle. The detection modules are fused using the Dempster-Shafer theory that provides an estimate of the presence of obstacles in the environment. The experiments were executed in real agricultural environment. System validation was performed in well-lit scenarios, with uneven terrain and different obstacles. The system showed satisfactory performance considering the use of an approach based on only three detection modules with methods that do not prioritize obstacle confirmation, but the search for new ones. This dissertation presents the main components of an obstacle detection system and the necessary steps for its design as well as results of experiments with the use of a real vehicle.