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

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / One of the greatest reasons to use robotics rather than human beings is to avoid hazardous situations such as activities related to search, surveillance and rescue. The pursuit-evasion problem is a fundamental theoretical base to apply robotics on these cases. This dissertation presents an approach to solve the pursuit-evasion problem with no previous knowledge of the map, which must be simply connected, using multi-robots systems with limited sensing. The approach is based on the random walk, since it is a mathematical formalization probabilistically complete, considering plane and obstacle free environments that shall be treated discretely through a regular occupation grid. This dissertation also presents a variation of this approach, though it considers random walk probabilities, to enhance the previous approach, decreasing the amount of iterations needed to solve the problem. In order to validate what is proposed, a discrete multi-robot simulation environment was developed. Finally, the results obtained on the tests that were performed and possible future works that could improve this approach are discussed. / Uma das principais motivações do uso de sistemas robóticos em detrimento de seres humanos é evitar situações de risco, como as encontradas em atividades de busca, vigilância e resgate. O problema de perseguição-evasão é uma base teórica fundamental para a aplicação da robótica nestes casos. Esta dissertação apresenta uma abordagem para solução do problema de perseguição-evasão sem um conhecimento a priori do mapa, que deverá ser simplesmente conectado, através da coordenação de múltiplos robôs com visão limitada. A abordagem aqui proposta é baseada na random walk, por esta ser uma formalização matemática probabilisticamente completa, sendo contemplados ambientes planos e sem obstáculos, que serão tratados discretamente por meio de uma grade de ocupação regular. Ainda nesta dissertação, foi proposta uma variação dessa abordagem, porém com a ponderação de probabilidades da random walk, com o objetivo de aprimorar a anterior, diminuindo número de iterações necessárias para solução do problema. Para a validação da abordagem proposta, foi desenvolvido um ambiente de simulações para abordagens discretas de múltiplos robôs. Finalmente, são discutidos os resultados obtidos nos testes realizados e propostos trabalhos futuros para melhoria desta abordagem.

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