Le travail présenté procède de l'ambition de doter le robot d'un haut niveau de flexibilité et d'adaptation à la tâche en présence d'imprécisions et d'incertitudes liées à celle-ci et à son état interne. Ceci se traduit par le développement de concepts et d'outils visant à permettre au robot de planifier sa tâche et d'en contrôler l'exécution. Une première partie porte sur l'élaboration d'architectures permettant d'intégrer les composantes décisionnelle et fonctionnelle et de mettre en \oe uvre des processus bouclés sur la tâche et sur l'environnement à différents niveaux d'abstraction. Elle présente notamment une architecture de contrôle générique permettant à la fois l'élaboration d'un plan d'actions (processus généralement coûteux en temps calcul et non borné dans le temps), et la disponibilité permanente dans un environnement évolutif (réactivité). Un deuxième aspect concerne le développement de représentations et d'algorithmiques pour la planification et l'interprétation de plans: planification logique et temporelle (au niveau de la mission) mais aussi planification géométrique (plus proche de la tâche). Les contributions portent sur la planification de mission avec prise en compte de contraintes temporelles et du non-déterminisme, la coopération multi-robot, la planification des tâches de manipulation, ainsi que la planification de stratégies de déplacement pour un robot mobile en présence d'incertitudes. La dernière partie présente la réalisation effective de systèmes robotiques complets démontrant les capacités développées et servant de support de validation et d'aiguillons exigeants à l'extension de ces mêmes capacités.

La complexité inhérente à la coordination des mouvements d'un groupe de robots mobiles est traitée en investiguant plus avant les potentialités des architectures de contrôle comportementales dont le but est de briser la complexité des tâches à exécuter. En effet, les robots mobiles peuvent évoluer dans des environnements très complexes et nécessite de surcroît une coopération précise et sécurisée des véhicules pouvant rapidement devenir inextricable. Ainsi, pour maîtriser cette complexité, le contrôleur dédié à la réalisation de la tâche est décomposé en un ensemble de comportements/contrôleurs élémentaires (évitement d'obstacles et de collision entre les robots, attraction vers une cible, etc.) qui lient les informations capteurs (provenant de caméras, des capteurs locaux du robot, etc.) aux actionneurs des différentes entités robotiques. La tâche considérée est la navigation en formation en présence d'obstacles (statiques et dynamiques). La spécificité de l'approche théorique consiste à allier les avantages des architectures de contrôle comportementales à la méthode de la structure virtuelle où le groupe de robots mobiles suit un corps virtuel avec une dynamique (vitesse, direction) donnée. Ainsi, l'activation d'un comportement élémentaire en faveur d'un autre se fait en respectant les contraintes structurelles des robots (e.g. vitesses et accélérations maximales, etc.) en vue d'assurer le maximum de précision et de sécurité des mouvements coordonnés entre les différentes entités mobiles. La coopération consiste à se partager les places dans la structure virtuelle de manière distribuée et de façon à atteindre plus rapidement la formation désirée. Pour garantir les critères de performances visés par l'architecture de contrôle, les systèmes hybrides qui permettent de commander des systèmes continus en présence d'évènements discrets sont exploités. En effet, ces contrôleurs (partie discrète) permettent de coordonner l'activité des différents comportements (partie continue) disponibles au niveau de l'architecture, tout en offrant une analyse automaticienne rigoureuse de la stabilité de celle-ci au sens de Lyapunov. Chaque contribution est illustrée par des résultats de simulation. Le dernier chapitre est dédié à l'implémentation de l'architecture de contrôle proposée sur un groupe de robots mobiles Khepera III.

Submitted by Viviane Lima da Cunha (viviane@biblioteca.ufpb.br) on 2016-02-16T13:26:42Z No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 3970645 bytes, checksum: d514b848324ac20a549db632034383d7 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-02-16T13:26:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 3970645 bytes, checksum: d514b848324ac20a549db632034383d7 (MD5) Previous issue date: 2015-10-10 / The purpose of this study is to adapt and embed a navigation system and control of mobile robots, based on NMPC, in a low-cost board existent on the market, to provide sufficient com-putational resources so that the robot is able to converge, without losing performance, using the same horizons applied in a Laptop. The obtained results demonstrate the proposed scenario according with the experiments, proving that it is possible to use low cost boards, to a navigation system and control of mobile robots, based on NMPC, using the same predictive and control horizons applied in a Laptop. / A proposta desse trabalho é adaptar e embarcar um sistema de navegação e controle de robôs móveis, baseado em NMPC, em uma placa de baixo custo já existente no mercado, que dispo-nibilize recursos computacionais suficientes para que o Robô seja capaz de convergir, sem perda de desempenho e utilizando os mesmos horizontes aplicados em um Laptop. Os Resulta-dos obtidos demonstram todo o cenário proposto e de acordo com os experimentos realizados, comprovou-se que é possível o uso de placas de baixo custo, para controle de robôs móveis, baseado em NMPC, utilizando os mesmos horizontes de predição e controle aplicados em uma Laptop.

Submitted by Clebson Anjos (clebson.leandro54@gmail.com) on 2016-02-16T22:43:34Z No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 6316800 bytes, checksum: 0b88bad394fd98379d16f9b515a3f984 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-02-16T22:43:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 6316800 bytes, checksum: 0b88bad394fd98379d16f9b515a3f984 (MD5) Previous issue date: 2015-08-31 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The communication between robots is essential and of great interest in the robotics research eld. It is from it that the robots can discover and pass on information about obstacles in their way, pass on to the other robots information about a target that other robot can not detect, determine together which is the best route to follow, among others, until the goals are achieved. The major di culty in the context where robot communication exists in an Ad Hoc network is distancing the robots from each other. So that one of them for example, may migrate to another area leaving their initial formation, completing a speci c task and return to the starting point, in addition to distancing the whole formation of robots from a central computer. By distancing a robot from the limits imposed by other means will entail a loss of signal compromising communication between them. This way, knowing a wireless network coverage area where robots will be connected is an important process for the implementation of a system of communication between robots. The aim of this work is to demonstrate the feasibility of expanding the coverage area of a wireless network, to be used in multi-robot systems, of a formation of robots that use a Real Time Database (RTDB) in multilayer networks that using the IEEE 802.11 and 802.15.4, analyzing the behavior of this expansion in relation to connectivity of robots, coverage area and interference in wireless networks. According to the performed experiments, the results demonstrate the robustness and reliability of the proposed scenario and it was shown that the use of multilayer networks provides a greater range in the coverage area of a robot training. / A comunicação entre robôs é tarefa fundamental e de grande importância na robótica. É a partir dela que robôs conseguem descobrir e repassar informações sobre obstáculos encontrados no caminho, transmitir informações sobre um alvo que outro robô não consiga detectar ou determinar, em conjunto com outros robôs, a melhor rota a ser seguida, entre outros. Uma das grandes dificuldades, no contexto em que se tem a comunicação de robôs em uma rede sem o, está em distanciá-los. Um deles, por exemplo, pode migrar para uma outra área a m de realizar uma tarefa específi ca, distanciando-se, assim, da sua formação inicial e ultrapassando o limiar de cobertura de rede. Ao distanciar um robô do outro, os limites conferidos pelo meio acarretarão uma perda de sinal comprometendo a comunicação entre eles. Deste modo, conhecer a área de cobertura de uma rede sem o onde robôs estarão conectados é um processo importante para a implantação de um sistema de comunicação entre robôs. Este trabalho propõe expansão da área de cobertura de uma rede sem o, a ser utilizada em sistemas multi-robôs, usando um Middleware de Base de Dados em Tempo Real - RTDB, em redes multicamadas que utilizam os padrões IEEE 802.11 e 802.15.4, analisando o comportamento dessa expansão em relação a conectividade dos robôs, área de cobertura e de interferência de Redes Sem Fio. Os resultados obtidos demonstram a robustez e con fiabilidade do cenário proposto e de acordo com os experimentos realizados, comprovou-se que o uso de redes multicamadas proporciona um maior alcance na área de cobertura de uma formação de robôs.

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.

Cette thèse présente l’étude d’une stratégie de coordination hybride d’un groupe de robots sous-marins pour la recherche d’objets de petites dimensions ou de singularités sur les fonds marins. Chaque robot est équipé d’un module de perception utilisant la librairie de traitement d’image OpenCV qui lui permet d’apercevoir les autres éléments de la meute ainsi que l’environnement d’évolution de la mission.Cette stratégie hybride est constituée de deux phases : une phase de mise en formation géométrique et une phase d’acquisition des données vidéo. La première phase s’appuie sur des algorithmes de type "essaims" alors que la seconde se fonde sur une méthode hiérarchique de coordination. En cas de perte de la formation, le groupe de robots quitte le mode hiérarchique et reprend le mode essaim pour se reformer. Ces changements de modes sont contrôlés par une machine à états finis. Avant d’entamer une expérimentation en grandeur nature, la méthodologie et les algorithmes de coordination doivent être testés et validés par simulation.Dans ce contexte, un simulateur basé sur le logiciel Blender a été conçu de façon à ce qu’il tienne compte des différentes contraintes liées à l’évolution des robots dans l’environnement sous-marin. Les résultats de simulation d’une meute de 3 AUVs montrent la capacité de notre stratégie à optimiser l’exécution d’une mission d’acquisition vidéo par un groupe de robots autonomes contrôlés par la vision et coordonnés par une stratégie hybride. / In the underwater environment, the needs of data acquisition have significantly increased over the last decades. As electromagnetic waves show poor propagation in sea water, acoustical sensing is generally preferred. However, the emergence of small and low cost autonomous underwater vehicles (AUV) allow for rethinking the underwater use of optical sensors as their small coverage can be significantly improved by using a fleet of coordinated underwater robots.This paper presents a strategy to coordinate the group of robots in order to systematically survey the seabed to detect small objects or singularities. The proposed hybrid coordination strategy is defined by two main modes. The first mode relies on a swarm algorithm to organize the team in geometrical formation. In the second mode, the robot formation is maintained using a hierarchical coordination. A finite state machine controls the high level hybrid strategy by defining the appropriate coordination mode according to the evolution of the mission. Before sea validation, the behavior and the performance of the hybrid coordination strategy are first assessed in simulation. The control of individual robots relies on visual servoing, implemented with the OpenCV library, and the simulation tool is based on Blender software.The dynamics of the robots has been implemented in a realistic way in Blender by using the Bullet solver and the hydrodynamic coeficcients estimated on the actual robot. First results of the hybrid coordination strategy applied on a fleet of 3 AUV’s, show execution of a video acquisition task by a group of autonomous robots controlled by vision and coordinated by a hybrid strategy.

La complexité inhérente à la coordination des mouvements d'un groupe de robots mobiles est traitée en investiguant plus avant les potentialités des architectures de contrôle comportementales dont le but est de briser la complexité des tâches à exécuter. En effet, les robots mobiles peuvent évoluer dans des environnements très complexes et nécessite de surcroît une coopération précise et sécurisée des véhicules pouvant rapidement devenir inextricable. Ainsi, pour maîtriser cette complexité, le contrôleur dédié à la réalisation de la tâche est décomposé en un ensemble de comportements/contrôleurs élémentaires (évitement d'obstacles et de collision entre les robots, attraction vers une cible, etc.) qui lient les informations capteurs (provenant de caméras, des capteurs locaux du robot, etc.) aux actionneurs des différentes entités robotiques. La tâche considérée est la navigation en formation en présence d'obstacles (statiques et dynamiques). La spécificité de l'approche théorique consiste à allier les avantages des architectures de contrôle comportementales à la méthode de la structure virtuelle où le groupe de robots mobiles suit un corps virtuel avec une dynamique (vitesse, direction) donnée. Ainsi, l'activation d'un comportement élémentaire en faveur d'un autre se fait en respectant les contraintes structurelles des robots (e.g. vitesses et accélérations maximales, etc.) en vue d'assurer le maximum de précision et de sécurité des mouvements coordonnés entre les différentes entités mobiles. La coopération consiste à se partager les places dans la structure virtuelle de manière distribuée et de façon à atteindre plus rapidement la formation désirée. Pour garantir les critères de performances visés par l'architecture de contrôle, les systèmes hybrides qui permettent de commander des systèmes continus en présence d'évènements discrets sont exploités. En effet, ces contrôleurs (partie discrète) permettent de coordonner l'activité des différents comportements (partie continue) disponibles au niveau de l'architecture, tout en offrant une analyse automaticienne rigoureuse de la stabilité de celle-ci au sens de Lyapunov. Chaque contribution est illustrée par des résultats de simulation. Le dernier chapitre est dédié à l'implémentation de l'architecture de contrôle proposée sur un groupe de robots mobiles Khepera III. / Inherent difficulty of coordinating a group of mobile robots is treated by investigating behavior-based architectures which aim to break task complexity. In fact, multi-robot navigation may become rapidly inextricable, specifically if it is made in hazardous and dynamical environment. The considered task is the navigation in formation in presence of (static and dynamic) obstacles. To overcome its complexity, it is proposed to divide the overall task into two basic behaviors/controllers (obstacle avoidance, attraction to a dynamical target). Applied control is chosen among these controllers according to sensors information (camera, local sensors, etc.). Theoretic approach combines behavior-based and the virtual structure strategy which considers the formation as a virtual body with a given dynamic (velocity, direction). Thus, activating a controller or another is accomplished while respecting structural robots constraints (e.g. maximal velocities and accelerations). The objective is to insure the highest precision and safety of the coordinated motion between the robots. These ones cooperate by optimizing the way of sharing their places in the formation in order to form it in a faster manner. To guarantee performance criteria of the control architecture, hybrid systems tolerating the control of continuous systems in presence of discrete events are explored. In fact, this control allows coordinating (by discrete part) the different behaviors (continuous part) of the architecture. A complete analysis of this architecture stability is also given thanks to Lyapunov-based theory. Every contribution is illustrated through simulation results. The last chapter is devoted to the implementation of the proposed control architecture on a group of Khepera III robots.

Submitted by Fernando Souza (fernandoafsou@gmail.com) on 2017-08-21T12:31:22Z No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 1454502 bytes, checksum: a03fd3df4d29b47b79ab2d8b0d3d9625 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-21T12:31:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 1454502 bytes, checksum: a03fd3df4d29b47b79ab2d8b0d3d9625 (MD5) Previous issue date: 2016-03-04 / Cooperation in a multi robot system has become a challenge to be overcome and turned into one of the biggest incentives for researchers in this area because communication appears as one of the most important requirements. This study aims to investigate the feasibility of using the distributed simulation environment called HLA (High-level Architecture) in the process of communication between members of a system with three and five computers. It simulates a multi-robot system in order to verify its behavior when one of them is replaced for another with limited processing power. Thus, a new communication approach based on HLA middleware was developed. In this approach, the robots adapt their transmission rate according to the performance of other robots. The accomplished experiments have shown that the real-time requirements of a robot soccer application have been achieved using this approach. It points to a new possibility of real-time communication between robots. On the exposed, in one experiment, a direct comparison was made between RTDB (Real-time database) middleware and the approach presented. It was verified that, in some contexts, the adaptive HLA is about 5 to 12 percent more efficient than RTDB. / A cooperação em um um sistema mutirrobôs tem se tornado um desafio a ser superado e se transformado em um dos maiores incentivos para os pesquisadores desta área, pois a comunicação se apresenta como um dos mais importantes requisitos. O objetivo deste trabalho foi de investigar a viabilidade do uso do ambiente de simulação distribuída chamado de HLA, no processo de comunicação entre membros de um sistema com três e cinco computadores, simulando um sistema multirrobôs, de modo a verificar seu comportamento, quando um deles é substituído por outro com poder de processamento reduzido. Assim, uma nova abordagem de comunicação com base no middleware HLA foi desenvolvida. Nessa nova abordagem, os robôs adaptam sua taxa de transmissão com base no desempenho de outros robôs. Experimentos demonstraram que os requisitos de tempo real de uma aplicação de futebol de robôs foram alcançados usando-se essa abordagem, o que aponta para uma nova possibilidade de comunicação em tempo real entre robôs. Diante do exposto, em um dos experimentos, foi feita uma comparação direta entre o middleware RTDB e a abordagem apresentada. Constatou-se que o HLA adaptativo, em alguns cenários, é mais eficiente entre 5% e 12% do que o RTDB.

La complexité associée à la coordination d’un groupe de robots mobiles est traitée dans cette thèse en investiguant plus avant les potentialités des architectures de commande multi-contrôleurs dont le but est de briser la complexité des tâches à exécuter. En effet, les robots mobiles peuvent évoluer dans des environnements très complexes et nécessitent de surcroît une coopération précise et sécurisée pouvant rapidement devenir inextricable. Ainsi, pour maîtriser cette complexité, le contrôleur dédié à la réalisation d’une tâche est décomposé en un ensemble de comportements/contrôleurs élémentaires (évitement d’obstacles et de collision entre les robots, attraction vers une cible, planification, etc.) qui lient les informations capteurs (provenant des capteurs locaux du robot, etc.) aux actionneurs des différentes entités robotiques. La tâche considérée dans cette thèse correspond à la navigation d’un groupe de robots mobiles dans des environnements peu ou pas connus en présence d’obstacles (statiques et dynamiques). La spécificité de l’approche théorique consiste à allier les avantages des architectures multi-contrôleurs à ceux des systèmes multi-agents et spécialement les modèles organisationnels afin d’apporter un haut niveau de coordination entre les agents/robots mobiles. Le groupe de robots mobiles est alors coordonné suivant les différentes normes et spécifications du modèle organisationnel. Ainsi, l’activation d’un comportement élémentaire en faveur d’un autre se fait en respectant les contraintes structurelles des robots en vue d’assurer le maximum de précision et de sécurité des mouvements coordonnés entre les différentes entités mobiles. La coopération se fait à travers un agent superviseur (centralisé) de façon à atteindre plus rapidement la destination désirée, les événements inattendus sont gérés quant à eux individuellement par les agents/robots mobiles de façon distribuée. L’élaboration du simulateur ROBOTOPIA nous a permis d’illustrer chacune des contributions de la thèse par un nombre important de simulations. / The difficulty of coordinating a group of mobile robots is adressed in this thesis by investigating control architectures which aim to break task complexity. In fact, multi-robot navigation may become rapidly inextricable, specifically if it is made in hazardous and dynamical environment requiring precise and secure cooperation. The considered task is the navigation of a group of mobile robots in unknown environments in presence of (static and dynamic) obstacles. To overcome its complexity, it is proposed to divide the overall task into a set of basic behaviors/controllers (obstacle avoidance, attraction to a dynamical target, planning, etc.). Applied control is chosen among these controllers according to sensors information (camera, local sensors, etc.). The specificity of the theoretical approach is to combine the benefits of multi-controller control architectures to those of multi-agent organizational models to provide a high level of coordination between mobile agents-robots systems. The group of mobile robots is then coordinated according to different norms and specifications of the organizational model. Thus, activating a basic behavior in favor of another is done in accordance with the structural constraints of the robots in order to ensure maximum safety and precision of the coordinated movements between robots. Cooperation takes place through a supervisor agent (centralized) to reach the desired destination faster ; unexpected events are individually managed by the mobile agents/robots in a distributed way. To guarantee performance criteria of the control architecture, hybrid systems tolerating the control of continuous systems in presence of discrete events are explored. In fact, this control allows coordinating (by discrete part) the different behaviors (continuous part) of the architecture. The development of ROBOTOPIA simulator allowed us to illustrate each contribution by many results of simulations.

L’objectif principal de cette thèse est d’étudier le problème du contrôle de suivi distribué pour les systèmes de formation de multi-robots à contrainte non holonomique. Ce contrôle vise à entrainer une équipe de robots mobile de type monocycle pour former une configuration de formation désirée avec son centroïde se déplaçant avec une autre trajectoire de référence dynamique et pouvant être spécifié par le leader virtuel ou humain. Le problème du contrôle de suivi a été résolu au cours de cette thèse en développant divers contrôleurs distribués pratiques avec la considération d’un taux de convergence plus rapide, une précision de contrôle plus élevée, une robustesse plus forte, une estimation du temps de convergence explicite et indépendante et moins de coût de communication et de consommation d’énergie. Dans la première partie de la thèse nous étudions d’abord au niveau du chapitre 2 la stabilité à temps fini pour les systèmes de formation de multi-robots. Une nouvelle classe de contrôleur à temps fini est proposée dans le chapitre 3, également appelé contrôleur à temps fixe. Nous étudions les systèmes dynamiques de suivi de formation de multi-robots non holonomiques dans le chapitre 4. Dans la deuxième partie, nous étudions d'abord le mécanisme de communication et de contrôle déclenché par l'événement sur les systèmes de suivi de la formation de multi-robots non-holonomes au chapitre 5. De plus, afin de développer un schéma d'implémentation numérique, nous proposons une autre classe de contrôleurs périodiques déclenchés par un événement basé sur un observateur à temps fixe dans le chapitre 6. / The main aim of this thesis is to study the distributed tracking control problem for the multi-robot formation systems with nonholonomic constraint, of which the control objective it to drive a team of unicycle-type mobile robots to form one desired formation configuration with its centroid moving along with another dynamic reference trajectory, which can be specified by the virtual leader or human. We consider several problems in this point, ranging from finite-time stability andfixed-time stability, event-triggered communication and control mechanism, kinematics and dynamics, continuous-time systems and hybrid systems. The tracking control problem has been solved in this thesis via developing diverse practical distributed controller with the consideration of faster convergence rate, higher control accuracy, stronger robustness, explicit and independent convergence time estimate, less communication cost and energy consumption.In the first part of the thesis, we first study the finite-time stability for the multi-robot formation systems in Chapter 2. To improve the pior results, a novel class of finite-time controller is further proposed in Chapter 3, which is also called fixed-time controller. The dynamics of nonholonomic multi-robot formation systems is considered in Chapter 4. In the second part, we first investigate the event-triggered communication and control mechanism on the nonholonomic multi-robot formation tracking systems in Chapter 5. Moreover, in order to develop a digital implement scheme, we propose another class of periodic event-triggered controller based on fixed-time observer in Chapter 6.