Estratégias inteligentes aplicadas em robôs móveis autônomos e em coordenação de grupos de ...

202 Pages·2013·13.4 MB·Portuguese

Estratégias inteligentes aplicadas em robôs móveis
autônomos e em coordenação de grupos de robôs

Gustavo Pessin

SERVIÇO DE PÓS-GRADUAÇÃO DO ICMC-USP

Data de Depósito:

Assinatura:________________________

Estratégias inteligentes aplicadas em robôs móveis
autônomos e em coordenação de grupos de robôs

Gustavo Pessin

Orientador: Prof. Dr. Fernando S. Osório

Tese apresentada ao Instituto de Ciências Matemáticas
e de Computação - ICMC-USP, como parte dos
requisitos para obtenção do título de Doutor em
Ciências - Ciências de Computação e Matemática
Computacional. VERSÃO REVISADA.

USP – São Carlos
Junho de 2013
Ficha catalográfica elaborada pela Biblioteca Prof. Achille Bassi
e Seção Técnica de Informática, ICMC/USP,
com os dados fornecidos pelo(a) autor(a)
Pessin, Gustavo
P475e Estratégias inteligentes aplicadas em robôs móveis
autônomos e em coordenação de grupos de robôs /
Gustavo Pessin; orientador Fernando S. Osório. --
São Carlos, 2013.
178 p.
Tese (Doutorado - Programa de Pós-Graduação em
Ciências de Computação e Matemática Computacional) --
Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação,
Universidade de São Paulo, 2013.
1. Robôs Móveis Autônomos. 2. Aprendizado de
Máquina. 3. Localização. 4. Navegação. 5. Grupos de
Robôs. I. Osório, Fernando S. , orient. II. Título.
Agradecimentos
C omodescritonafolhaderosto,essatese,apresentadaaoInstituto
de Ciências Matemáticas e de Computação, é requisito parcial
para obtenção do título de Doutor em Ciências de Computação
e Matemática Computacional. Dizer que é requisito parcial minimiza
a aflição de tentar espelhar quatro anos da vida em um texto de ≈ 150
páginas, afinal, muito mais foi realizado e nem tudo se encontra nesta
tese. Esse período teve como maiores objetivos (i) o aprendizado, (ii) a
tentativa de estender o estado da arte na área da robótica móvel e (iii)
o desenvolvimento de coisas úteis e práticas para o mundo real. Tentei
estender o estado da arte. Tentei desenvolver coisas úteis. Não posso
dizer se consegui – não posso julgar essa parte. Entretanto, sei que o
aprendizadoobtidofoiimenso. Muitomaiorqueoimaginado.
Se cheguei até aqui, foi por não estar sozinho. Fernando S. Osório
me ajudou a construir e remar este barco. Seu apoio, seu modelo de
condução e sua paciência foram fundamentais no desenvolvimento desta
tese. MuitoobrigadoOsório,nãoteriachegadoaquisemvocê!
Considerando válida a metáfora entre tese e barco, agradeço ao Prof.
Denis F. Wolf por tentar me mostrar que os ventos mudam de direção e
queageografiasubmersatambémimpactananavegação. Muitoobrigado
Denis, se cheguei perto de um trabalho útil, muito disso devo também a
você!
OProf. JóUeyamamemostrou, commuitobomhumor,queexistem
diversos outros barcos no oceano e que existem outros oceanos a serem
navegados. Muito obrigado Jó, se aprendi mais do que eu imaginava ser
possível,devoissotambémavocê!
Devo um agradecimento especial a Jefferson R. Souza, meu calouro.
Aprendi muito com nossas pesquisas, tanto no que se refere a métodos
i
científicos como no que se refere a ser um melhor ser humano. Muito
obrigadoJefferson!
Agradeço ao Prof. Torsten Braun por ter me recebido com uma cor-
dialidade impressionante e me auxiliado durante a visita técnica na Uni-
versität Bern, além das diversas inspirações e conselhos para o desenvol-
vimentodemelhorestrabalhos.
AgradeçotambémaProf. PatríciaA.Vargasportermerecebidoeme
auxiliadoincondicionalmentedurantemeuanonaHeriot-WattUnivestity.
Neste período, os amigos Neil Mackenzie, Barry Hewitt e Ross Donald,
do South Morningside Explorer Scout Unit (SMESU), foram mais que
especiais.
Ainda, não posso deixar de lembrar, neste agradecimento, de todos
os bons professores que fizeram parte da minha vida. Desde o ensino
fundamental até as aulas na pós-graduação. Agradeço aos professores
que mantiveram a semente da curiosidade viva dentro de mim. Além
disso, agradeço aos diversos amigos e colegas dos laboratórios nos quais
convivi e que foram responsáveis por excelentes discussões científicas e
porauxílionaresoluçãodediversasdúvidas.
Agradeçotambémminhafamíliaemeusamigos: vocêsforamfunda-
mentais no desenvolvimento deste trabalho. O apoio da mãe, da Juli, do
Vini, da Mano, da tia Eda, do Kuaki – e as cobranças do pai ;-) – sempre
me ajudaram a manter o foco e ter a força necessária para realizar este
trabalho.
Gostaria também de agradecer a CAPES pelo apoio financeiro e a
secretaria do ICMC pelo auxílio com burocracias. Sem vocês tudo seria
muitomaisdifícil.
Para finalizar, dizem que quando entramos numa nova igreja temos
direito a fazer um pedido. Em geral, meus pedidos foram pra que Deus
se preocupasse com pessoas mais necessitadas. Eu daria um jeito, sem
incomodá-lo. Nãoseiseospedidosforamatendidos,masseiquequando
preciseiEleestavadeolhoemmim! Muitoobrigado!
ii
Resumo
O contínuo aumento da complexidade no controle de sistemas ro-
bóticos, bem como a aplicação de grupos de robôs auxiliando
ou substituindo seres humanos em atividades críticas tem ge-
rado uma importante demanda por soluções mais robustas, flexíveis, e
eficientes. O desenvolvimento convencional de algoritmos especializa-
dos, constituídos de sistemas baseados em regras e de autômatos usados
para coordenar estes conjuntos físicos em um ambiente dinâmico é um
desafio extremamente complexo. Diversos modelos de desenvolvimento
existem, entretanto, muitos desafios da área da robótica móvel autônoma
continuam em aberto. Esta tese se insere no contexto da busca por solu-
ções inteligentes a serem aplicadas em robôs móveis autônomos com o
objetivo de permitir a operação destes em ambientes dinâmicos. Busca-
mos, com a investigação e aplicação de estratégias inteligentes por meio
de aprendizado de máquina no funcionamento dos robôs, a proposta de
soluções originais que permitam uma nova visão sobre a operação de
robôs móveis em três dos desafios da área da robótica móvel autônoma,
quesão: localização,navegaçãoeoperaçõescomgruposderobôs.
As pesquisas sobre localização e coordenação de grupos apresentam
investigação e propostas originais, buscando estender o estado da arte,
onde apresentam resultados inovadores. A parte sobre navegação tem
como objetivo principal ser um elo entre os conceitos de localização e
coordenação de grupos, sendo o foco o desenvolvimento de um veículo
autônomocommaiorimplicaçãoemavançostécnicos.
Relacionado com a coordenação de grupos de robôs, fizemos a es-
colha de trabalhar sobre uma aplicação modelada como o problema de
combate a incêndios florestais. Buscamos desenvolver um ambiente de
simulação realístico, onde foram avaliadas quatro técnicas para busca de
iii
estratégiasdeformaçãodogrupo: AlgoritmosGenéticos,Otimizaçãopor
Enxame de Partículas, Hill Climbing e (iv) Simulated Annealing. Com
base nas diversas avaliações realizadas pudemos mostrar quais das técni-
cas e conjuntos de parâmetros permitem a obtenção de resultados mais
acurados que os demais. Além disso, mostramos como uma heurística
baseada em populações anteriores pode auxiliar na tolerância a falhas da
operação.
Relacionado com a tarefa de navegação, apresentamos o desenvolvi-
mentodeumveículoautônomodegrandeportefuncionalparaambientes
externos. Buscamos aperfeiçoar uma arquitetura para navegação autô-
noma, baseada em visão monocular e com capacidade de seguir pontos
esparsos de GPS. Mostramos como a simulação e os usos de robôs de
pequenoporteauxiliaramnodesenvolvimentodoveículodegrandeporte
e apresentamos como as redes neurais podem ser aplicadas nos modelos
denavegaçãoautônoma.
Na investigação sobre localização, mostramos um método utilizando
informaçãoobtidaderedessemfioparaproverinformaçãodelocalização
para robôs móveis. As informações obtidas da rede sem fio são utiliza-
das para aprendizado da posição de um robô móvel por meio de uma
rede neural. Diversas avaliações foram realizadas buscando entender o
comportamento do sistema com diferentes números de pontos de acesso,
comusodefiltros,comdiferentestopologias. Osresultadosmostramque
o modelo usando redes sem fio pode ser um possível método prático e
baratoparalocalizaçãoderobôsmóveis.
Esta tese aborda temas relevantes e propostas originais relacionadas
com os objetivos propostos, apresentando métodos que provenham auto-
nomia na coordenação de grupos e nas atividades individuais dos mes-
mos. A busca por altos graus de eficiência na resolução de tarefas em
ambientes dinâmicos ainda é um campo que carece de soluções e de
um aprofundamento nas pesquisas. Sendo assim, esta pesquisa buscou
agregar diversos avanços científicos na área de pesquisa de robôs móveis
autônomosecoordenaçãodegrupos,pormeiodaaplicaçãodeestratégias
inteligentes.
iv
Abstract
T he constant increasing of the complexity in the control of robotic
systems,aswellastheapplicationofgroupsofrobotsassistingor
replacinghumanbeingsincriticalactivitieshasgeneratedasigni-
ficant demand for more robust, flexible and efficient solutions. The con-
ventional development of specialized algorithms consisted of rule-based
systems and automatas, used to coordinate these physical sets in a dyna-
mic environment is an extremely complex challenge. Although several
models of development of robotic issues are currently in use, many chal-
lenges in the area remain open. This thesis is related to the search for
intelligent strategies to be applied in autonomous mobile robots in order
toallowpracticaloperationsindynamicenvironments. Weseek,withthe
investigation of intelligent strategies by means of the use of machine le-
arning in the robots, to propose original solutions to allow contributions
in three challenges of the robotic research area: localization, navigation
andcoordinationofgroupsofrobots.
Theinvestigationsaboutlocalizationandgroupsofrobotsshownovel
andoriginalproposals,wherewesoughttoextendthestateoftheart. The
navigationparthasasitsmajorobjectivetobealinkbetweenthesubjects
of localization and navigation, being its aim to help the deployment of a
autonomousvehicleimplyingingreatertechnicaladvances.
Relatedtotheroboticgroupcoordination,wehavemadethechoiceto
workonanapplicationmodeledasawildfirecombatoperation. Wehave
developed a simulation environment in which we have evaluated four te-
chniquestoobtainstrategiesforthegroupformation: geneticalgorithms,
particle swarm optimization, hill climbing and simulated annealing. The
v
resultsshowedthatwecanhaveverydifferentaccuracywithdifferentte-
chniques and sets of parameters. Furthermore, we show how a heuristic
basedontheuseofpastpopulationscanassistinfaulttolerantoperation.
Related to the autonomous navigation task, we present the develop-
ment of a large autonomous vehicle capable of operating in outdoor en-
vironments. We sought to optimize an architecture for autonomous navi-
gationbasedonmonocularvisionandwiththeabilitytofollowscattered
pointsofGPS.Weshowhowtheuseofsimulationandsmallrobotscould
assist in the development of large vehicle. Furthermore, we show how
neural networks can be applied as a controller to autonomous navigation
systems.
In the investigation about localization, we presented a method using
wirelessnetworkstoprovideinformationaboutlocalizationtomobilero-
bots. The information gathered by the wireless network is used as input
in an artificial neural network which learns the position of the robot. Se-
veral evaluations were carried out in order to understand the behavior of
the proposed system, as using different topologies, different numbers of
accesspointsandtheuseoffilters. Resultsshowedthattheproposedsys-
tem, using wireless networks and neural networks, may be a useful and
easytousesolutionforlocalizationofmobilerobots.
This thesis has addressed original and relevant topics related to the
proposed objectives, showing methods to allow degrees of autonomy in
robotic operations. The search for higher degrees of efficiency in tasks
solving in dynamic environments is still a field that lacks solutions. The-
refore, this study sought to add several scientific contributions in the au-
tonomous mobile robots research area and coordination of groups, by
meansoftheapplicationofintelligentstrategies.
vi