Attractor dynamics approach to formation

Abstract

Ao longo desta tese, mostraremos como a dinâmica de atractores pode ser utilizada para controlar equipas de robôs móveis autónomos tornando-os capazes de navegar, em ambientes desconhecidos, de acordo com uma formação geométrica pré-determinada. Algumas das tarefas que são desempenhadas de forma mais eficiente por uma equipa de robôs coordenados em formação são: transporte de objectos, captura de fugitivos, formações de satélites e naves espaciais, exploração e reconhecimento de territórios e diversas aplicações no mundo submarino. Será usada uma estratégia líder–seguidor, na qual a formação desejada é dada através de uma matriz, chamada de matriz de formação, na qual os parâmetros em cada linha definem a pose desejada do robô na formação (isto é, o seu líder, distância desejada e orientação relativa para o líder). Esta posição desejada de um seguidor relativamente a um líder, pode ser, alternativamente, em coluna (atrás do líder), em linha (perpendicular ao líder), ou em oblíquo (de outra forma). Os valores dos parâmetros são, então, usados para moldar os campos vectoriais dos sistemas dinâmicos que geram os valores para as variáveis de controlo (isto é direcção de navegação e velocidade de translação). Estes sistemas dinâmicos são sintonizados de forma a que as variáveis de controlo estejam sempre muito perto de um dos atractores resultantes. A vantagem é que os sistemas são mais robustos contra perturbações porque o comportamento é gerado como uma série temporal de estados assimptoticamente estáveis. A principal contribuição desta tese reside no desenho de uma arquitectura de controlo para uma equipa de robôs que, usando a abordagem da dinâmica dos atractores, exibe implicitamente algumas caracter´ısticas importantes, tais como: a) a capacidade de estabilizar a formação desejada a partir de qualquer situação inicial; b) a capacidade de evitar obstáculos (sejam estáticos ou dinˆamicos); c) quebra de formações (que pode acontecer devido à presença de obstáculos); d) junção de formações. Através da manipulação da matriz de formação, também é possível alterar a formação durante a execução de uma missão. Esta mudança de formação pode ser apenas uma mudança na forma geométrica, ou um incremento ou decremento no número de robõs, proporcionando desta forma maior robustez á arquitectura em caso de falha de um robõ. A flexibilidade da arquitectura est presente, na medida em que enquanto a informação sensorial se altera, o sistema tamb’em altera as suas soluções continuamente, mas também descontinuamente (estabilizando a formação contra quebra da formaçao). Para demonstrar as capacidades da arquitectura proposta, para além de simulações por computador, duas escalas de robˆos serão usados. Estes robôs estão equipados com sensores de baixo nível para detectar obstruções com objectos. A detecção de colegas de equipa e sua localização feita usando um sistema de visão omnidireccional (nos robôs maiores) ou através das comunicações recebidas via rádio (robôs menores). Uma extensão para o espaçoo 3–D foi efectuada, sendo proposta uma arquitectura de controlo para uma equipa de 3 dirigíveis, que também se simulou.