Maximização do ganho de informação e coordenação na exploração com múltiplos robôs móveis

Abstract

Over the last few years, the study of methods for autonomous, multi-robot exploration hasbeen the focus of much attention from many research groups. This interest stems from thenumerous advantages that a team of robots offers over the use of a single robot.After studying the different methods in the literature, the decision was made to choosea decentralized strategy for multi-robot exploration based on the classic methods based onfrontiers.With the ability to define boundaries, it becomes possible to route robots to unexploredareas. This process is optimized through the use of a utility function that takes into accountthe information gain and the cost of distance from the border. The information gain is calcu-lated provisionally by estimating the reduction of the map’s entropy. The size of the borderand the agglomeration of exploration targets around it allow the value of the informationgain to be associated with each border. The method also includes information gain duringthe execution of the trajectory.Through the exchange of information between the robots, a mechanism is also incorpo-rated to share the current target of each robot in order to coordinate multi-robot exploration,avoiding the concentration of several robots in the same location.Whenever the new information acquired is significant, the robot shares the local map,allowing other robots to have access to the data collected. This technique allows a globalmap of the explored environment to be created more quickly than when exploring with asingle robot.This decentralized approach makes it possible for multiple autonomous mobile robots toexplore unknown environments without a central point of system failure.

Ao longo dos últimos anos, o estudo de métodos para a exploração autónoma e multi-robô tem vindo a ser alvo de grande atenção por parte de muitos grupos de investigação.Este interesse surge das inúmeras vantagens que uma equipa de robôs oferece em relação àutilização de um único robô.Após realizar um estudo sobre os diferentes métodos existentes na literatura, optou-sepela escolha de uma estratégia descentralizada para exploração multi-robô que tem comobase os métodos clássicos baseados em fronteiras.Com a capacidade de definir fronteiras, torna-se possível encaminhar os robôs para áreaspor explorar. Este processo é otimizado através do uso de uma função de utilidade quetem em consideração o ganho de informação e o custo da distância da fronteira. O ganhode informação é calculado provisoriamente, através da estimação da redução da entropiado mapa. O tamanho da fronteira e a aglomeração de alvos de exploração em seu redorpermitem associar o valor do ganho de informação a cada fronteira. O método contemplatambém o ganho de informação durante a execução da trajetória.Através da troca de informação entre os robôs, incorpora-se também um mecanismo departilha do alvo atual de cada robô de modo a coordenar a exploração multi-robô, evitandoa concentração de vários robôs no mesmo local.Sempre que a informação nova adquirida é significativa, o robô partilha o mapa local,permitindo que outros robôs tenham acesso aos dados coletados. Esta técnica permite acriação mais rápida de um mapa global do ambiente explorado do que na exploração comum único robô.Através desta abordagem descentralizada, torna-se possível a exploração com múltiplosrobôs moveis autónomos em ambientes desconhecidos, e sem a existência de um ponto centralde falha do sistema.