Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-03-07T15:27:21Z No. of bitstreams: 1 mauricioarchanjonunescoelho.pdf: 2468130 bytes, checksum: 3f05daa8428e367942c4ad560b6375f2 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-03-10T12:19:13Z (GMT) No. of bitstreams: 1 mauricioarchanjonunescoelho.pdf: 2468130 bytes, checksum: 3f05daa8428e367942c4ad560b6375f2 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-03-10T12:19:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 mauricioarchanjonunescoelho.pdf: 2468130 bytes, checksum: 3f05daa8428e367942c4ad560b6375f2 (MD5) Previous issue date: 2010-06-18 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O problema de planejamento de caminhos apresenta diversas subáreas, muitas das quais já extensamente abordadas na literatura. Uma dessas áreas em especial é a de determinação de caminhos, os algoritmos empregados para a solução deste problema dependem que os custos estipulados para os ambientes ou mapas sejam confiáveis. A dificuldade está justamente na definição dos custos referentes a cada tipo de área ou terreno nos mapas a serem examinados. Como se pode observar, o problema mencionado inclui a dificuldade em se determinar qual o custo de cada característica relevante presente no mapa, bem como os custos de suas possíveis combinações. A proposta deste trabalho é mostrar como é feita a predição desses custos em novos ambientes tendo como base a predição de dados estruturados definindo um aprendizado funcional entre domínios de entrada e saída, estruturados e arbitrários. O problema de aprendizado em questão é normalmente formulado como um problema de otimização convexa de máxima margem bastante similar a formulação de máquinas de vetores suporte multi-classe. Como técnica de solução realizou-se a implementação do algoritmo MMP (Maximum Margin Planning) (RATLIFF; BAGNELL; ZINKEVICH, 2006). Como contribuição, desenvolveu-se e implementou-se dois algoritmos alternativos, o primeiro denominado Perceptron Estruturado e o segundo Perceptron Estruturado com Margem, ambos os métodos de relaxação baseados na formulação do Perceptron. Os mesmos foram analisados e comparados. Posteriormente temos a exploração dos ambientes por um agente inteligente utilizando técnicas de aprendizado por reforço. Tornando todo o processo, desde a análise do ambiente e descoberta de custos, até sua exploração e planejamento do caminho, um completo processo de aprendizado. / The problem of path planning has several sub-areas, many of which are widely discussed in the literature. One of these areas in particular is the determination of paths, the algorithms used to solve this problem depend on the reliability of the estimated costs in the environments and maps. The difficulty is precisely the definition of costs for each type of area or land on the maps to be examined. As you can see, the problem mentioned includes the difficulty in determining what the cost of each relevant characteristic on the map, and the costs of their possible combinations. The purpose of this study is to show how the prediction of these costs is made into new environments based on the prediction of structured data by defining functional learning areas between input and output, structured and arbitrary. The problem of learning in question is usually formulated as a convex optimization problem of maximum margin very similar to the formulation of multiclass support vector machines. A solution technic was performed through implementation of the algorithm MMP (Maximum Margin Planning) (RATLIFF; BAGNELL; ZINKEVICH, 2006). As a contribution, two alternative algorithms were developed and implemented, the first named Structured Perceptron, and the second Structured Perceptron with Margin both methods of relaxation based formulation of the Perceptron. They were analyzed and compared. Posteriorly we have the exploitation of the environment by an intelligent agent using reinforcement learning techniques. This makes the whole process, from the environment analysis and discovery of cost to the exploitation and path planning, a complete learning process.

Les études menées permettent de prendre en main un système depuis l’identification jusqu’à la commande robuste des systèmes non entiers. Les principes de la platitude permettent de parvenir à la planification de trajectoire à condition de connaître le modèle du système, d’où l’intérêt de l’identification des paramètres du système. Les principaux travaux de cette thèse concernent l’identification de système par modèles non entiers, la génération et la poursuite robuste de trajectoire par l’application des principes de la platitude aux systèmes non entiers.Le chapitre 1 rappelle les définitions et propriétés de l’opérateur non entier ainsi que les diverses méthodes de représentation d’un système non entier. Le théorème de stabilité est également remémoré. Les algèbres sur les polynômes non entiers et sur les matrices polynômiales non entières sont introduites pour l’extension de la platitude aux systèmes non entiers.Le chapitre 2 porte sur l’identification par modèle non entier. Après un état de l’art sur les méthodes d’identification par modèle non entier, deux contextes sont étudiés : en présence de bruit blanc et en présence de bruit coloré. Dans chaque cas, deux estimateurs optimaux (sur la variance et le biais) sont propos´es : l’un, en supposant une structure du modèle connue et d’ordres de dérivation fixés, et l’autre en combinant des techniques de programmation non linéaire qui optimise à la fois les coefficients et les ordres de dérivation.Le chapitre 3 établit l’extension des principes de la platitude aux systèmes non entiers.La platitude des systèmes non entiers linéaires en proposant différentes approches telles que les fonctions de transfert et la pseudo-représentation d’état par matrices polynômiales est étudiée.La robustesse du suivi de trajectoire est abordée par la commande CRONE. Des exemples de simulations illustrent les développements théoriques de la platitude au travers de la diffusion thermique sur un barreau métallique.Enfin, le chapitre 4 est consacré à la validation des contributions en identification, en planification de trajectoire et en poursuite robuste sur un système non entier réel : un barreau métallique est soumis à un flux de chaleur. / The general theme of the work enables to handle a system, from identification to robust control. Flatness principles tackle path planning unless knowing the system model, hence the system parameter identification necessity. The principal contribution of this thesis deal with system identification by non integer models and with robust path tracking by the use of flatness principles for fractional models.Chapter 1 recalls the definitions and properties of a fractional operator and also the various representation methods of a fractional system. The stability theorem is also brought to mind. Fractional polynomial and fractional polynomial matrice algebras are introduced for the extension of flatness principles for fractional systems.Chapter 2 is about non integer model identification. After a state of the art on system identification by non integer model. Two contexts are considered : in presence of white noise and of colored noise. In each situation, two optimal (in variance and bias sense) estimators are put forward : one, when considering a known model structure with fixed differentiating orders, and another one by combining nonlinear programming technics for the optimization of coefficients and differentiating orders.Chapter 3 establishes the extension of flatness principles to fractional systems. Flatness of linear fractional systems are studied while considering different approaches such as transfer functions or pseudo-state-space representations with polynomial matrices. Path tracking robustness is ensured with CRONE control. Simulation examples display theoretical developments on flatness through thermal diffusion on a metallic rod. Finally, Chapter 4 is devoted to validate the contributions to system identification, to trajectory planning and to robust path tracking on a real fractional system : a metallic rod submitted to a heat flux.

Ce travail étudie l'apport de l'algèbre différentielle à deux problématiques principales de la robotique mobile à roues, la localisation et la navigation. La première problématique consiste à être capable de dire où le robot se situe dans son environnement. Nous supposons ici que nous possédons un certain nombre de points d'intérêt de l'espace dont les coordonnées dans cette espace sont connues. En fonction du nombre de points d'intérêt, il est possible ou non de localiser le robot. Cette notion de localisabilité est définie et étudiée dans le cadre algébrique. Nous montrons que ce cadre d'étude est plus intéressant que le cadre géométrique en ce sens que non seulement il permet l'étude de la localisabilité mais en plus il permet de construire des estimateurs d'états permettant de reconstruire la posture du robot. Cette étude est effectuée dans cinq cas d'études pour quatre des cinq classes de robots mobiles à roues. La deuxième problématique étudiée est celle de la navigation d'une flottille décentralisée de robots dans un environnement complexe. Ce travail présente une architecture pouvant être utilisée dans une large classe de problème et bénéficiant des avantages des approches discrètes et des approches continues. En effet, à haut niveau, un bloc stratégie spécifie l'objectif, les contraintes et leurs paramètres ainsi que la fonction coût utilisée, à bas niveau, une trajectoire est calculée afin de minimiser la fonction coût en respectant l'objectif et les contraintes du problème. Cette minimisation est faite sur un horizon glissant de manière à pouvoir prendre en compte des modifications de l'environnement ou de la mission en cours de navigation / This work investigates the contribution of differential algebra to two main issues of wheel mobile robotics, localization and navigation. The first issue is to be able to tell where the robot is in its environment. We assume that we have a number of landmarks in space whose coordinates are known in this area. Depending on the number of landmarks, it is possible or not to localize the robot. This notion of localizability is defined and studied in the algebraic framework. We show that this framework is more interesting than the geometric framework in the sense that it not only allows the study of localizability, but it also allows us to construct estimators states to reconstruct the posture of the robot. This study was conducted in five cases study for four of the five classes of wheeled mobile robots. The second problem studied is that of a robot decentralized swarm navigation in a complex environment. This work presents an architecture that can be used in a wide class of problems and enjoying the benefits of discrete approaches and continuous approaches. Indeed, high-level block strategy specifies the goal, constraints and parameters as well as the cost function, a low-level block is used to compute a trajectory that minimize the cost function in accordance with the objective and the problem constraints. This minimization is done on a sliding window so it is possible to take changes in the environment or mission during navigation into account

Le but de ce doctorat est de déterminer dans quelle mesure les algorithmes issus de l’intelligence artificielle, principalement les Algorithmes Evolutionnaires et la Programmation Génétique, pourraient aider les algorithmes de l’automatique classique afin de permettre aux engins autonomes de disposer de capacités bien supérieures, et ce dans les domaines de l’identification, de la planification de trajectoire, du pilotage et de la navigation.De nouveaux algorithmes ont été développés, dans les domaines de l’identification, de la planification de trajectoire, de la navigation et du contrôle, et ont été testés sur des systèmes de simulation et des aéronefs du monde réel (Oktokopter du ST2I, Bebop.Drone de la société Parrot, Twin Otter et F-16 de la NASA) de manière à évaluer les apports de ces nouvelles approches par rapport à l’état de l’art.La plupart de ces nouvelles approches ont permis d’obtenir de très bons résultats comparés à l’état de l’art, notamment dans le domaine de l’identification et de la commande, et un approfondissement des travaux devraient être engagé afin de développer le potentiel applicatifs de certains algorithmes. / The object of this PhD has consisted in elaborating evolutionary computing algorithms to find interesting solutions to important problems in several domains of automation science, applied to aircrafts mission conduction and to understand what could be the advantages of using such approaches, compared to the state-of-the-art, in terms of efficiency, robustness, and effort of implementation.New algorithms have been developed, in Identification, Path planning, Navigation and Control and have been tested on simulation and on real world platforms (AR.Drone 3.0 UAV (Parrot), Oktokopter UAV, Twin Otter and military fighter F-16 (NASA LaRC)), to assess the performances improvements, given by the new proposed approaches.Most of these new approaches provide very interesting results; and research work (on control by evolutionary algorithms, identification by genetic programming and relative navigation) should be engaged to plan potential applications in different real world technologies.

Poškození zraku je jedním z nejčastějších tělesných postižení -- udává se, že až 3 % populace trpí vážným poškozením nebo ztrátou zraku. Oslepnutí výrazně zhoršuje schopnost orientace a pohybu v okolním prostředí -- bez znalosti uspořádání prostoru, jinak získané převážně pomocí zraku, postižený zkrátka neví, kudy se pohybovat ke svému cíli. Obvyklým řešením problému orientace v neznámých prostředích je doprovod nevidomého osobou se zdravým zrakem; tato služba je však velmi náročná a nevidomý se musí plně spolehnout na doprovod. Tato práce zkoumá možnosti, kterými by bylo možné postiženým ulehčit orientaci v prostoru, a to využitím existujících senzorických prostředků a vhodného zpracování jejich dat. Téma je zpracováno skrze analogii s mobilní robotikou, v jejímž duchu je rozděleno na část lokalizace a plánování cesty. Zatímco metody plánování cesty jsou vesměs k dispozici, lokalizace chodce často trpí značnými nepřesnostmi určení polohy a komplikuje tak využití standardních navigačních přístrojů nevidomými uživateli. Zlepšení odhadu polohy může být dosaženo vícero cestami, zkoumanými analytickou kapitolou. Předložená práce prvně navrhuje fúzi obvyklého přijímače systému GPS s chodeckou odometrickou jednotkou, což vede k zachování věrného tvaru trajektorie na lokální úrovni. Pro zmírnění zbývající chyby posunu odhadu je proveden návrh využití přirozených význačných bodů prostředí, které jsou vztaženy ke globální referenci polohy. Na základě existujících formalismů vyhledávání v grafu jsou zkoumána kritéria optimality vhodná pro volbu cesty nevidomého skrz městské prostředí. Generátor vysokoúrovňových instrukcí založený na fuzzy logice je potom budován s motivací uživatelského rozhraní působícího lidsky; doplňkem je okamžitý haptický výstup korigující odchylku směru. Chování navržených principů bylo vyhodnoceno na základě realistických experimentů zachycujících specifika cílového městského prostředí. Výsledky vykazují značná zlepšení jak maximálních, tak středních ukazatelů chyby určení polohy.

The aim of this master's thesis was to create a design for a prototype of a mobile robotic platform and its physical fabrication. Another goal of this master's thesis was to develop a control algorithm and its implementation into a prototype. In addition, the thesis was extended by an autonomous motion mode, an algorithm for robot path planning, and the design of the Human Machine Interface (HMI). The introduction contains a description of some already created mobile robotic platforms, a presentation of the company B&R and the theory needed to understand omnidirectional mobility. The next chapters describe the design and construction of a prototype with a selection of electronic components and their wiring, implementation of an algorithm for robot path planning, implementation of a control algorithm and design, together with the implementation of the user environment. At the end of this master's thesis, the possibilities of extending the project to future years are described.

Tato diplomová práce práce se zabývá plánováním cesty všesměrového mobilního robotu pomocí algoritmu RRT (Rapidly-exploring Random Tree – Rychle rostoucí náhodný strom). Teoretická část popisuje základní algoritmy plánování cesty a prezentuje bližší pohled na RRT a jeho potenciál. Praktická část práce řeší návrh a tvorbu v zásadě multiplatformní C++ aplikace v prostředí Windows 7 za použití aplikačního frameworku Qt 4.8.0, která implementuje pokročilé RRT algoritmy s parametrizovatelným řešičem a speciálním dávkovým režimem. Tento mód slouží k testování efektivnosti nastavení řešiče pro dané úlohy a je založen na post-processingu a vizualizaci výstupu měřených úloh pomocí jazyka Python. Vypočtené cesty mohou být vylepšeny pomocí zkracovacích algoritmů a výsledná trajektorie odeslána do pohonů Maxon Compact Drive všesměrové mobilní platformy pomocí CANopen. Aplikace klade důraz na moderní grafické uživatelské rozhraní se spolehlivým a výkonným 2D grafickým engine.

This diploma thesis deals with the path planning by swarm intelligence. In the theoretical part it describes the best known methods of swarm intelligence (Ant Colony Optimization, Bee Swarm Optimization, Firefly Swarm Optimization and Particle Swarm Optimization) and their application for path planning. In the practical part particle swarm optimization is selected for the design and implementation of path planning in the C#.

Les robots et véhicules autonomes représentent le futur des modes de déplacements et de production. Les enjeux de l’avenir reposent sur la robustesse de leurs perceptions et flexibilité face aux environnements changeant et situations inattendues. Les capteurs stéréoscopiques sont des capteurs passifs qui permettent d'obtenir à la fois image et information 3D de la scène à la manière de la vision humaine. Dans ces travaux nous avons développé un système de localisation, par odométrie visuelle permettant de déterminer la position dans l'espace du capteur de façon efficace et performante en tirant partie de la carte de profondeur dense mais également associé à un système de SLAM, rendant la localisation robuste aux perturbations et aux décalages potentiels. Nous avons également développé plusieurs solutions de cartographie et interprétation d’obstacles, à la fois pour le véhicule aérien et terrestre. Ces travaux sont en partie intégrés dans des produits commerciaux. / Autonomous vehicles and robots represent the future of transportation and production industries. The challenge ahead will come from the robustness of perception and flexibility from unexpected situations and changing environments. Stereoscopic cameras are passive sensors that provide color images and depth information of the scene by correlating 2 images like the human vision. In this work, we developed a localization system, by visual odometry that can determine efficiently the position in space of the sensor by exploiting the dense depth map. It is also combined with a SLAM system that enables robust localization against disturbances and potentials drifts. Additionally, we developed a few mapping and obstacles detections solutions, both for aerial and terrestrial vehicles. These algorithms are now partly integrated into commercial products.

The interest in autonomous surveillance has increased due to advances in autonomous systems and sensor theory. This thesis is a preliminary study of the cooperation between UGVs and stationary sensors when monitoring a dedicated area. The primary focus is the path planning of a UGV for different initial intrusion alarms. Cell decomposition, i.e., spatial partitioning, of the area of surveillance was utilized, and the objective function is based on the probability of a present intruder in each cell. These probabilities were modeled through two different methods: ExpPlanner, utilizing an exponential decay function. Markov planner, utilizing a Markov chain to propagate the probabilities. The performance of both methods improves when a confident alarm system is utilized. By prioritizing the direction of the planned paths, the performances improved further. The Markov planner outperforms the ExpPlanner in finding a randomly walking intruder. The ExpPlanner is suitable for passive surveillance, and the Markov planner is suitable for ”aggressive target hunting”.