[pt] Esta dissertação apresenta uma abordagem para a coordenação de enxames de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANT), baseada na comunicação via Internet provida pelas redes de telefonia móvel. Um grande número de atividades pode ser coberto com uma missão conjunta de VANTs voando em formação, como a vigilância e monitoramento de grandes eventos, tarefas de busca e salvamento, controle de pestes agrárias, fiscalização e conservação florestal, inspeção de oleodutos e redes de distribuição elétrica ou mesmo em missões militares de ataque e reconhecimento. A coordenação de enxame de VANTs pode ser fatorada na comunicação entre os membros do enxame e o algoritmo de controle e interrelacionamento entre os membros. A solução proposta consiste no uso de smartphones acoplados a VANTs capazes de prover o nível necessário de comunicação confiável sobre a Internet móvel, e processar o algoritmo proposto para a coordenação dos enxames de VANTs. Experimentos foram feitos através da emulação de VANTs e redes de dados de telefonia que demostraram a eficácia do algoritmo proposto e analisam o impacto da latência de rede e da velocidade dos VANTs sobre a precisão da coordenação de movimento de enxames. / [en] This work presents an approach to coordinate swarms of Unmanned Aerial Vehicles (UAV) based on Internet communication provided by mobile phone networks. Several activities can be done by several UAVs flying in formation, such as surveillance and monitoring of mass events, search and rescue tasks, control of agricultural pests, monitoring and forest conservation, inspection of pipelines and electricity distribution networks or even military attack and recognition missions. Coordination of UAVs swarm can be branch in two sub-problems: communication between members of the swarm and the algorithm that controls members behaviors regarding their movements. The proposed solution assumes the use of a smartphone coupled with each UAV of the swarm, in order to provide the required level of reliable communication on the mobile Internet and run the proposed algorithm for the coordination of swarms of UAVs. Experiments were performed with emulated UAVs and WAN mobile networks. The results have demonstrated the effectiveness of the proposed algorithm, and have shown the influence of the network latency and the UAV speeds on the accuracy of the movement coordination in the swarms.

[pt] Em ambientes aquáticos, o uso tradicional de mergulhadores ou veiculos subaquáticos tripulados foi substituído por veículos subaquáticos não tripulados (como ROVs ou AUVs). Com vantagens em termos de redução de riscos de segurança, como exposição à pressão, temperatura ou falta de ar. Além disso, conseguem acessar áreas de extrema profundidade que até então não eram possiveis para o ser humano. Esses veiculos não tripulados são amplamente utilizados para inspeções como as necessárias para o descomissionamento de plataformas de petróleo Neste tipo de fiscalização é necessário analisar as condições do solo, da tu- bulação e, principalmente, se foi criado um ecossistema próximo à tubulação. Grande parte dos trabalhos realizados para a automação desses veículos utilizam diferentes tipos de sensores e GPS para realizar a percepção do ambiente. Devido à complexidade do ambiente de navegação, diferentes algoritmos de controle e automação têm sido testados nesta área, O interesse deste trabalho é fazer com que o autômato tome decisões através da análise de eventos visuais. Este método de pesquisa traz a vantagem de redução de custos para o projeto, visto que as câmeras possuem um preço inferior em relação aos sensores ou dispositivos GPS. A tarefa de inspeção autônoma tem vários desafios: detectar os eventos, processar as imagens e tomar a decisão de alterar a rota em tempo real. É uma tarefa altamente complexa e precisa de vários algoritmos trabalhando juntos para ter um bom desempenho. A inteligência artificial apresenta diversos algoritmos para automatizar, como os baseados em aprendizagem por reforço entre outros na área de detecção e classificação de imagens Esta tese de doutorado consiste em um estudo para criação de um sistema avançado de inspeção autônoma. Este sistema é capaz de realizar inspeções apenas analisando imagens da câmera AUV, usando aprendizagem de reforço profundo profundo para otimizar o planejamento do ponto de vista e técnicas de detecção de novidades. Contudo, este quadro pode ser adaptado a muitas outras tarefas de inspecção. Neste estudo foram utilizados ambientes realistas complexos, nos quais o agente tem o desafio de chegar da melhor forma possível ao objeto de interesse para que possa classificar o objeto. Vale ressaltar, entretanto, que os ambientes de simulação utilizados neste contexto apresentam certo grau de simplicidade carecendo de recursos como correntes marítimas on dinâmica de colisão em seus cenários simulados Ao final deste projeto, o Visual Inspection of Pipelines (VIP) framework foi desenvolvido e testado, apresentando excelentes resultados e ilustrando a viabilidade de redução do tempo de inspeção através da otimização do planejamento do ponto de vista. Esse tipo de abordagem, além de agregar conhecimento ao robô autônomo, faz com que as inspeções subaquáticas exijam pouca presença de ser humano (human-in-the-loop), justificando o uso das técnicas empregadas. / [en] In aquatic environments, the traditional use of divers or manned underwater vehicles has been replaced by unmanned underwater vehicles (such as ROVs or AUVs). With advantages in terms of reducing safety risks, such as exposure to pressure, temperature or shortness of breath. In addition, they are able to access areas of extreme depth that were not possible for humans until then. These unmanned vehicles are widely used for inspections, such as those required for the decommissioning of oil platforms. In this type of inspection, it is necessary to analyze the conditions of the soil, the pipeline and, especially, if an ecosystem was created close to the pipeline. Most of the works carried out for the automation of these vehicles use different types of sensors and GPS to perform the perception of the environment. Due to the complexity of the navigation environment, different control and automation algorithms have been tested in this area. The interest of this work is to make the automaton take decisions through the analysis of visual events. This research method provides the advantage of cost reduction for the project, given that cameras have a lower price compared to sensors or GPS devices. The autonomous inspection task has several challenges: detecting the events, processing the images and making the decision to change the route in real time. It is a highly complex task and needs multiple algorithms working together to perform well. Artificial intelligence presents many algorithms to automate, such as those based on reinforcement learning, among others in the area of image detection and classification. This doctoral thesis consists of a study to create an advanced autonomous inspection system. This system is capable of performing inspections only by analyzing images from the AUV camera, using deep reinforcement learning, and novelty detection techniques. However, this framework can be adapted to many other inspection tasks. In this study, complex realistic environments were used, in which the agent has the challenge of reaching the object of interest in the best possible way so that it can classify the object. It is noteworthy, however, that the simulation environments utilized in this context exhibit a certain degree of simplicity, lacking features like marine currents or collision dynamics in their simulated scenarios. At the conclusion of this project, a Visual Inspection of Pipelines (VIP) framework was developed and tested, showcasing excellent results and illustrating the feasibility of reducing inspection time through the optimization of viewpoint planning. This type of approach, in addition to adding knowledge to the autonomous robot, means that underwater inspections require little pres- ence of a human being (human-in-the-loop), justifying the use of the techniques employed.

[pt] Este trabalho apresenta um projeto mecânico de um robô lagartixa pneumática, capaz de se locomover em superfícies inclinadas em relação ao solo, através apenas de atuadores lineares que utilizam o ar comprimido como fonte de energia. Como parte fundamental do projeto mecânico neste trabalho, um sistema de garra é desenvolvido gerando vácuo mecanicamente, para haver uma economia de consumo energético no robô em comparação com os acessórios comerciais geralmente utilizados para esta tarefa de fixação. Com o protótipo de conceito fabricado e montado, o mesmo é submetido a uma bateria de testes com o intuito de posteriormente aplicar os dados obtidos em uma rede neural artificial, visando o aprendizado computacional dos movimentos do robô e, assim, sua otimização de velocidade em determinada sequência de movimentação. Após o treinamento desta rede neural, o protótipo é submetido a novos experimentos para verificar a eficiência do treinamento realizado e qual o impacto real obtido no robô. Finalmente, com a utilização de um sistema de câmeras, os deslocamentos do robô em diversas situações distintas são rastreados, visando gerar gráficos comparativos e analisar a repetibilidade e confiabilidade do sistema. / [en] This work presents the mechanical design of a pneumatic gecko robot, capable of moving on inclined surfaces with respect to the ground, using only linear actuators with compressed air as a source of energy. As a fundamental part of the mechanical design in this work, a claw system is developed by generating vacuum mechanically, significantly reducing the energy consumption of the robot when compared to commercial accessories generally used for this clamping task. With the concept prototype manufactured and assembled, a series of tests are conducted to later apply the collected data in an artificial neural network. This network allows the computational learning of the robot movements, and thus its speed optimization for a certain defined gait. After training this neural network, the prototype is submitted to new experiments to verify the efficiency of the training performed and the real impact obtained on the robot. Furthermore, with the use of a camera system, the movements of the robot along several different situations are tracked, generating comparative graphs to analyze the repeatability and reliability of the system.

[pt] Esta dissertação de mestrado consiste em um estudo avançado sobre aprendizado profundo por reforço visual para robôs autônomos através de técnicas de transferência de aprendizado. Os ambientes de simulação testados neste estudo são ambientes realistas complexos onde o robô tinha como desafio aprender e transferir conhecimento em diferentes contextos para aproveitar a experiência de ambientes anteriores em ambientes futuros. Este tipo de abordagem, além de agregar conhecimento ao robô autônomo, diminui o número de épocas de treinamento do algoritmo, mesmo em ambientes complexos, justificando o uso de técnicas de transferência de aprendizado. / [en] This master s thesis consists of an advanced study on deep learning by visual reinforcement for autonomous robots through transfer learning techniques. The simulation environments tested in this study are highly realistic environments where the challenge of the robot was to learn and tranfer knowledge in different contexts to take advantage of the experiencia of previous environments in future environments. This type of approach besides adding knowledge to the autonomous robot reduces the number of training epochs the algorithm, even in complex environments, justifying the use of transfer learning techniques.

[pt] Na última década, os robôs móveis com pernas ganharam notoriedade por sua capacidade de se movimentar com segurança em terrenos acidentados e superar obstáculos, como declives e escadas, podendo ser utilizados em mais aplicações em comparação com os robôs móveis com rodas. Novos desenvolvimentos que melhorem a robustez do planejamento de trajetória e o controle dinâmico de robôs com pernas são cruciais para o avanço desse campo. O objetivo deste trabalho é desenvolver um framework baseado em C++ e ROS Noetic que integre otimização de trajetória off-line para robôs com pernas com Model Predictive Control (MPC) on-line, considerando o mapa de elevação do terreno. A otimização de trajetória é baseada na biblioteca de código aberto TOWR (Trajectory Optimization for Walking Robots), que emprega uma função contínua para representar o mapa do terreno. Para tornála mais genérica, foi implementada uma interface que permite que mapas de elevação 2,5D sejam usados como representação do terreno. Além disso, as trajetórias geradas pelo TOWR são fornecidas como referências para um controlador MPC baseado na biblioteca de código aberto OCS2. As trajetórias otimizadas pelo MPC são então rastreadas por um Whole-Body Controller (WBC), que calcula os torques de atuação das juntas do robô. A estrutura é validada em simulações usando a dinâmica completa do robô, com diferentes tipos de terreno e sob perturbação externa. / [en] In the last decade, legged mobile robots have gained notoriety for their ability to move safely over rough terrain and overcome obstacles such as slopes and stairs, opening up new applications compared to wheeled mobile robots. New developments that improve the robustness of trajectory planning and dynamic control of legged robots are crucial for the advancement of this field. The aim of this work is to develop a framework based in C++ and ROS Noetic that integrates offline trajectory optimization for legged robots with online Model Predictive Control (MPC) while taking into account the elevation map of the terrain. The trajectory optimization is based on the open-source library TOWR (Trajectory Optimization for Walking Robots), which employs a continuous function to represent the map of the terrain. To make it more generic, an interface was implemented to allow 2.5D elevation maps to be used as terrain representation. Furthermore, the trajectories generated by TOWR are provided as references for a MPC implemented based on the open-source library OCS2. The trajectories optimized by the MPC are then tracked by a weighted Whole-Body Controller (WBC), which computes the actuation torques for the robot s joints. The framework is validated in simulations using the full dynamics of the robot, with different terrain types and under external disturbance.

La intención fundamental de esta investigación es analizar las deficiencias operativas y jurídicas en la respuesta policial frente al aumento del robo de celulares en el distrito de San Juan de Miraflores (SJM), durante el período comprendido entre los años 2021 y 2023. El incremento de aproximadamente un 21.3% en este delito impacta directamente a los residentes del distrito, representando una amenaza para su seguridad y bienestar (DIRIN PNP, 2022). Aunque la función policial se enfoca en la aprehensión de los delincuentes, es esencial destacar que la evaluación de su liberación recae en instancias como el Ministerio Público (MP) y el Poder Judicial (PJ). La estructura organizativa de la Policía Nacional del Perú (PNP) delineada en el Decreto Supremo Nº 026-2017-IN, constituye el marco fundamental para la operación eficaz y cumplimiento de los objetivos institucionales. Sin embargo, se evidencia la necesidad de atender tanto la deficiencia operativa, caracterizada por la escasez de recursos, la limitada presencia policial. Así como la falta de inteligencia y coordinación; como la insuficiencia jurídica, que engloba la carencia de actualización y adaptación de la legislación, y la complejidad inherente a las leyes vigentes. Estos vacíos son esenciales para abordar de manera eficaz el persistente problema del robo de celulares en el distrito. El robo de celulares, en aumento en el distrito de SJM, afecta principalmente a los jóvenes. Puntos críticos, como la intersección de la Avenida San Juan - Avenida Los Héroes, el Mall del Sur y la Estación de Atocongo, son escenarios frecuentes de atracos. Se propone entonces, implementar acciones preventivas integrales antes y después de los incidentes mediante políticas públicas efectivas. Se espera que los resultados contribuyan a diseñar políticas públicas y programas de prevención, reduciendo el índice de robo de celulares y mejorando la seguridad en el distrito de SJM. / The fundamental intention of this investigation is to analyze the operational and legal deficiencies in the police response to the increase in cell phone theft in the district of San Juan de Miraflores (SJM), during the period between 2021 and 2023. The increase of approximately 21.3% in this crime directly impacts the residents of the district, representing a threat to their safety and well-being (DIRIN PNP, 2022). Although the police function focuses on the apprehension of criminals, it is essential to highlight that the evaluation of their release falls on bodies such as the Public Ministry (MP) and the Judiciary (PJ). The organizational structure of the National Police of Peru (PNP) outlined in Supreme Decree No. 026-2017-IN, constitutes the fundamental framework for effective operation and compliance with institutional objectives. However, the need to address both the operational deficiency, characterized by the scarcity of resources and the limited police presence, is evident. As well as the lack of intelligence and coordination; such as legal insufficiency, which encompasses the lack of updating and adaptation of legislation, and the complexity inherent to current laws. These gaps are essential to effectively address the persistent problem of cell phone theft in the district. Cell phone theft, on the rise in the SJM district, mainly affects young people. Critical points, such as the intersection of Avenida San Juan - Avenida Los Héroes, the Mall del Sur and the Atocongo Station, are frequent scenes of robberies. It is then proposed to implement comprehensive preventive actions before and after incidents through effective public policies. It is expected that the results will contribute to designing public policies and prevention programs, reducing the rate of cell phone theft and improving security in the SJM district.

[pt] Esta dissertação introduz um estudo sobre os algoritmos de inteligência computacional para o controle autônomo dos robôs móveis, Nesta pesquisa, são desenvolvidos e implementados sistemas inteligentes de controle de um robô móvel construído no Laboratório de Robótica da PUC-Rio, baseado numa modificação do robô ER1. Os experimentos realizados consistem em duas etapas: a primeira etapa de simulação usando o software Player-Stage de simulação do robô em 2-D onde foram desenvolvidos os algoritmos de navegação usando as técnicas de inteligência computacional; e a segunda etapa a implementação dos algoritmos no robô real. As técnicas implementadas para a navegação do robô móvel estão baseadas em algoritmos de inteligência computacional como são redes neurais, lógica difusa e support vector machine (SVM) e para dar suporte visual ao robô móvel foi implementado uma técnica de visão computacional chamado Scale Invariant Future Transform (SIFT), estes algoritmos em conjunto fazem um sistema embebido para dotar de controle autônomo ao robô móvel. As simulações destes algoritmos conseguiram o objetivo, mas na implementação surgiram diferenças muito claras respeito à simulação pelo tempo que demora em processar o microprocessador. / [en] This theses introduces a study on the computational intelligence algorithms for autonomous control of mobile robots, In this research, intelligent systems are developed and implemented for a robot in the Robotics Laboratory of PUC-Rio, based on a modiÞcation of the robot ER1. The verification consist of two stages: the first stage includes simulation using Player-Stage software for simulation of the robot in 2-D with the developed of artiÞcial intelligence; an the second stage, including the implementation of the algorithms in the real robot. The techniques implemented for the navigation of the mobile robot are based on algorithms of computational intelligence as neural networks, fuzzy logic and support vector machine (SVM); and to give visual support to the mobile robot was implemented the visual algorithm called Scale Invariant Future Transform (SIFT), these algorithms in set makes an absorbed system to endow with independent control the mobile robot. The simulations of these algorithms had obtained the objective but in the implementation clear differences had appeared respect to the simulation, it just for the time that delays in processing the microprocessor.

[pt] Robôs móveis autônomos são um grande foco de pesquisa devido à sua aplicabilidade e interdisciplinaridade. Robôs móveis com roda de direção diferencial, além de possuírem alta não-linearidade, detêm uma característica inerente à sua geometria: suas rodas só podem girar em torno de eixos fixos, sem esterçamento. Com isso, o deslizamento longitudinal e lateral é inevitável, principalmente quando o sistema está em movimento sob efeitos dinâmicos significativos. Controle Preditivo baseado em Modelo Não-Linear, Nonlinear Model Predictive Control (NMPC), é amplamente utilizado nesses casos, já que consegue lidar com sistemas com múltiplas restrições. O presente trabalho apresenta modelos matemáticos de um robô móvel com roda do tipo skidsteer, procedente da direção diferencial, incluindo o deslizamento longitudinal, aos quais o NMPC é empregado para seguimento de trajetória, obtendo trajetórias similares à de referência. Verificando que o custo de processamento de tais controladores pode ser muito alto para uso em tempo real, um controle hierárquico é desenvolvido otimizando as forças longitudinais entre as rodas e o solo para encontrar deslizamentos de referência para uma determinada trajetória a ser seguida. Como em um ambiente real nem todos os estados podem ser medidos, o controle necessita também estimar os estados não medidos. A Estimação de Estados por Horizonte Móvel, (Moving Horizon State Estimation (MHSE)), derivada dos fundamentos do NMPC, foi utilizada para realizar a estimativa, já que possui recursos para manter o sistema sob as restrições. Com o MHSE, o deslizamento do sistema pode ser calculado a partir dos estados estimados para as trajetórias obtidas com o Controle Preditivo baseado em Modelo, (Model Predictive Control (MPC)). Por fim, uma rede neural foi treinada com os estados preditos e estimados com o MHSE para que pudesse substituí-lo para que todo o controle fosse utilizado em tempo real. Com isso, o tempo computacional foi reduzido devido a substituição do MHSE. / [en] Autonomous mobile robots are a major focus of research due to their applicability and interdisciplinarity. Depending on the type of locomotion, the system’s controller needs to handle not only trajectory tracking but also the way the system interacts with the ground. Mobile robots with differential drive wheels, in addition to having high nonlinearity, possess an inherent characteristic due to their geometry: their wheels can only rotate around fixed axes, without steering. As a result, longitudinal and lateral slip is inevitable, especially when the system is in motion under significant dynamic effects. Nonlinear Model Predictive Control (NMPC) is widely used in these cases, as it can handle systems with multiple constraints. This work presents mathematical models of a skid-steer mobile robot, derived from differential drive, including longitudinal slip, to which NMPC is applied for trajectory tracking, achieving trajectories similar to the reference. Given that the processing cost of such controllers can be very high for real-time use, a hierarchical control is developed, optimizing the longitudinal forces between the wheels and the ground to find reference slips for a given trajectory to be followed. Since in a real environment not all states can be measured, the control also needs to estimate the unmeasured states. Moving Horizon State Estimation (MHSE), derived from the fundamentals of NMPC, was used to perform the estimation, as it has the resources to keep the system within the constraints. With MHSE, the system’s slip can be calculated from the estimated states for the trajectories obtained with Model Predictive Control (MPC). Finally, a neural network was trained with the predicted and estimated states using MHSE to replace it so that the entire control could be used in real-time. As a result, computational time was reduced due to the replacement of MHSE.

[pt] Nas últimas décadas, a crescente conscientização ambiental levou ao reconhecimento da necessidade do uso responsável dos recursos hídricos. Para garantir isso, a boa gestão de reservatórios hídricos requer um monitoramento ambiental adequado, com medições confiáveis dos parâmetros de qualidade da água em vários pontos do reservatório, permitindo o controle da qualidade da água e seus impactos na fauna, flora e comunidades ribeirinhas dos reservatórios. O monitoramento das variáveis ambientais dos reservatórios é atualmente realizado por processo tradicional de coleta manual. Infelizmente, no Brasil, as iniciativas de produzir um sistema robótico aquático com tecnologia nacional e de baixo custo, quando comparado a equivalentes importados, são ainda raras e se restringem a algumas poucas instituições acadêmicas, não tendo sido localizado nenhum fabricante comercial deste tipo de veículo no país. Visando preencher esta lacuna, o presente trabalho teve como objetivo o desenvolvimento do protótipo de um sistema robótico aquático capaz de se locomover autonomamente em lagoas, lagos e reservatórios, coletando informações físico-químicas da água e armazenando estes dados na memória. Além disso, foi incluído no protótipo uma câmera de vídeo, sistema de iluminação e um sistema de controle remoto, objetivando o controle pela equipe em terra. Nos testes realizados em dias ensolarados e chuvosos, o robô apresentou boa dirigibilidade, estabilidade e manobrabilidade. O vaso de pressão do sistema robótico resistiu às pressões necessárias durante os testes, a eletrônica conseguiu atender as especificações de projeto e o software conseguiu estabelecer um controle de navegação, cumprindo o trajeto de uma rota estabelecida. / [en] In recent decades, the growing environmental awareness has led to the recognition of the need for responsible use of water resources. To ensure this, the good management of water reservoirs requires adequate environmental monitoring, with reliable measurements of water quality parameters in various parts of the reservoir, allowing the control of water quality and its impacts on fauna, flora and riverine communities of the reservoirs. Monitoring environmental variables of the reservoirs is currently performed by traditional process of manual collection. Unfortunately, in Brazil, initiatives to produce a water robotic system with national and low cost technology, compared to imported equivalents, are still rare and restricted to a few academic institutions, and no commercial manufacturer of this type of vehicle was found in the country. Aiming to fill this gap, the main objective of this study was to develop a prototype of a water robotic system capable of autonomously navigate in ponds, lakes and reservoirs, collecting physicochemical information of water and storing this data in memory. Moreover, a video camera, illumination and a remote control system were included in the prototype, allowing the team on the ground to control the prototype. In tests conducted in sunny and rainy days, the robot presented good handling, stability and maneuverability. The robotic system pressure vessel resisted pressures required during testing, the electronics met the design specifications and the software was able to establish a navigation control, fulfilling the path of an established route.

Robotic soccer is a game like a real soccer but here the game is played by robots. The rules are the same, only there are few exceptions (foul, penalty kick, stalemate situation). Game is running without the human intervention. Just a human referee is supervising the game. Two teams are attending the game. Each of them has a control computer. The control computer is the brain of the game. It has a camera, it is making decisions for the next step of robots and sending them configuration data. The thesis deals with testing of communication interface and designs the new communication protocol for the next generation of the robots. The testing is provided by pocket pc Palm TX. It will send data over the Bluetooth interface to the control pc and will configure particular constants, like constants of PID regulator and an address of a robot. This will be provided by the IrDA interface.