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Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Autômatos celulares e sistemas bio-inspirados aplicados ao controle inteligente de robôs
Author: Lima, Danielli Araújo
First Advisor: Oliveira, Gina Maira Barbosa de
First member of the Committee: Souza, Jefferson Rodrigo de
Second member of the Committee: Julia, Stéphane
Third member of the Committee: Romero, Roseli Aparecida Francelin
Fifth member of the Committee: Vargas, Patrícia Amâncio
Summary: Em diversas situações, o volume de tarefas a serem cumpridas não pode ser realizado por um único robô. Assim, um campo que tem despertado crescente interesse é a investigação do comportamento de enxame de robôs de busca. Estratégias de cooperação e controle desse enxame devem ser consideradas para um desempenho eficiente do time de robôs. Existem várias técnicas clássicas em inteligência artificial que são capazes de resolver este problema. Neste trabalho um conjunto de técnicas bio-inspiradas, que engloba um modelo baseado em autômatos celulares com memória e feromônio invertido, foi considerado inicialmente para coordenar um time de robôs na tarefa de forrageamento para ambientes previamente conhecidos. Os robôs do time compartilham o mesmo ambiente, comunicando-se através do feromônio invertido, que é depositado por todos os agentes a cada passo de tempo, resultando em forças de repulsão e maior cobertura do ambiente. Por outro lado, o processo de retorno para o ninho é baseado no comportamento social observado no processo de evacuação de pedestres, resultando em forças de atração. Todos os movimentos deste processo são de primeira escolha e a resolução de conflitos proporciona uma característica não-determinista ao modelo. Posteriormente, o modelo base foi adaptado para a aplicação nas tarefas de coleta seletiva e busca e resgate. Os resultados das simulações foram apresentados em diferentes condições de ambiente. Além disso, parâmetros como quantidade e disposição da comida, posição dos ninhos e largura, constantes relacionadas ao feromônio, e tamanho da memória foram analisados nos experimentos. Em seguida, o modelo base proposto neste trabalho para tarefa de forrageamento, foi implementado usando os robôs e-Puck no ambiente de simulação Webots, com as devidas adaptações. Por fim, uma análise teórica do modelo investigado foi analisado através da teoria dos grafos e das filas. O método proposto neste trabalho mostrou-se eficiente e passível de ser implementado num alto nível de paralelismo e distribuição. Assim, o modelo torna-se interessante para a aplicação em outras tarefas robóticas, especialmente em problemas que envolvam busca multi-objetiva paralela.
Abstract: In several situations, the volume of tasks to be accomplished can not be performed by a single robot. Thus, a field that has attracted growing interest is the behavior investigation of the search swarm robots. Cooperation and control strategies of this swarm should be considered for an efficient performance of the robot team. There are several classic techniques in artificial intelligence that are able to solve this problem. In this work a set of bio-inspired techniques, which includes a model based on cellular automata with memory and inverted pheromone, was initially considered to coordinate a team of robots in the task of foraging to previously known environments. The team's robots share the same environment, communicating through the inverted pheromone, which is deposited by all agents at each step of time, resulting in repulsive forces and increasing environmental coverage. On the other hand, the return process to the nest is based on the social behavior observed in the process of pedestrian evacuation, resulting in forces of attraction. All movements in this process are first choice and conflict resolution provides a non-deterministic characteristic to the model. Subsequently, the base model was adapted for the application in the tasks of selective collection and search and rescue. The results of the simulations were presented under different environment conditions. In addition, parameters such as amount and arrangement of food, nest position and width, pheromone-related constants, and memory size were analyzed in the experiments. Then, the base model proposed in this work for foraging task, was implemented using the e-Puck robots in the simulation environment Webots, with the appropriate adaptations. Finally, a theoretical analysis of the investigated model was analyzed through the graphs and queuing theory. The method proposed in this work proved to be efficient and capable of being implemented at a high level of parallelism and distribution. Thus, the model becomes interesting for the application in other robotic tasks, especially in problems that involve parallel multi-objective search.
Keywords: Autômato Celular
Cellular Automata
Robótica de Enxames
Swarm Robotics
Computação Bio-Inspirada
Bio-Inspired Computing
Busca Multi-Objetiva
Multi-Objective Search
Dinâmica Inteligente
Intelligent Dynamics,
Sistemas Complexos
Complex Systems
Area (s) of CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Ciência da Computação
Quote: LIMA, Danielli Araújo. Autômatos celulares e sistemas bio-inspirados aplicados ao controle inteligente de robôs. PhD Thesis. 2017. 280 p.il. Tese (Doutorado em Ciência da Computação) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia 2017.
Document identifier: http://dx.doi.org/10.14393/ufu.te.2018.26
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/20377
Date of defense: 10-Apr-2017
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