Sistemas dinâmicos para o controlo de equipas de robôs móveis autónomos em tarefas de transporte conjunto: teoria, implementação e validação em chão-de-fábrica

Abstract

Esta tese apresenta uma arquitetura de controlo distribuída, baseada na topologia leader–helper, para equipas de dois robôs móveis autónomos que em conjunto transportam cargas de grandes dimensões evitando colisões com obstáculos (estáticos e/ou dinâmicos). O movimento de cada robô é controlado por uma série temporal de estados assintoticamente estáveis, que é formalizada através da abordagem dinâmica de atratores para a robótica baseada em comportamento. As vantagens são: (i) o comportamento resultante é suave e estável; (ii) como o comportamento é gerado como uma sequência de estados atratores (para as variáveis de controlo), contribui para a estabilidade assintótica do sistema, tornando-o robusto contra perturbações. Esta tese apresenta resultados de experiências em ambientes simulados e com robôs reais em ambientes reais. O Leader navega para uma posição desejada ou segue um colaborador (alvo móvel) e o Helper é responsável por manter a distância (que é igual ao comprimento da carga) relativamente ao Leader. Ambos os robôs partilham a responsabilidade de assegurar que a carga a transportar não colida com obstáculos. Não há necessidade de fornecer a priori um caminho para os robôs nem para a carga. A equipa é capaz de realizar a sua tarefa de transporte em ambientes desconhecidos nos quais podem existir corredores, esquinas que obriguem a realização de curvaturas acentuadas e alteração no ambiente enquanto os robôs navegam. A carga pode ter dimensões distintas. A equipa é capaz de lidar com perturbações abruptas que desafiem o comportamento dos robôs durante a execução da tarefa. Estas características tornam a abordagem baseada em sistemas dinâmicos capaz de ser implementada em ambientes como armazéns ou chãos-de-fábrica.

This thesis presents a distributed leader–helper control architecture for teams of two autonomous mobile robots that jointly transport large cargos while avoiding collisions with obstacles (either static or dynamic). The motion of each robot is controlled by a time series asymptotically stable states, which is formalized using the attractor dynamics approach to behavior based robotics. The advantages are: (i) the overt behavior is smooth and stable; (ii) because the behavior is generated as a time sequence of attractor states, for the control variables, it contributes to the overall asymptotically stability of the system that makes it robust against perturbations. This thesis presents results of experiments in simulated environments and with real robots in real environments. The Leader navigates to the goal destination or follows a co-worker (moving target) and the Helper is responsible for maintaining the distance (that is equal to the length of the object) to the Leader. Both robots share the responsibility of ensuring that the transported object does not collide with obstructions. No path needs to be given a priori to the robots nor to the cargo. The team is able to perform the transportation task in unknown environments that can have corridors, corners and may change the layout online. The cargo can be of different dimensions. The team is able to cope with abrupt/strong perturbations that challenge the robots’ behavior during the execution of the task. These characteristics make our dynamical systems approach suitable to be deployed in warehouses or factory plants.