CoopExp – Cooperative Multi Robot Exploration

Abstract

Ao longo dos anos tornou-se percetível a crescente in¿uência da robótica no domínio humano, com evidências que vão desde aplicações industriais, espaciais e medicinais, bem como ferramenta de auxílio em ambientes adversos e em tarefas do quotidiano. Muitas destas aplicações requerem a utilização de uma equipa de vários robôs móveis cooperantes - Sistemas Cooperativos Multi-Robô (SCRC) - quer para tornar viável a execução de certas tarefas, quer para melhorar o desempenho obtido com apenas um robô.Apesar da capacidade de cooperação ser inata ao Homem, no domínio robótico apresenta uma série de novos desa¿os: a comunicação, o sincronismo da informação obtida e a fusão dessa mesma informação.Quando a cooperação entre múltiplos robôs é aplicada num contexto de exploração os desa¿os são acrescidos. É fundamental ter em consideração os custos e a utilidade dessa mesma exploração.Esta dissertação pretende apresentar uma solução à problemática supracitada. Para tal foi desenvolvido um método capaz de atribuir a diferentes robôs comportamentos cooperativos com a ¿nalidade de explorar um ambiente, seguindo uma ¿loso¿a de “dividir para conquistar”.O CoopExp, pacote com o algoritmo de exploração, foi desenvolvido segundo uma metodologia distribuída com o intuito de aumentar a resistência a falhas individuais dos agentes de exploração. Foi assim criado um método capaz de calcular os custos implicados, de forma mais rápida e e¿ciente. Foi ainda estabelecida uma abordagem da utilidade de exploração, baseada num compêndio de técnicas descritas na literatura.O desenvolvimento deste tipo de programas era praticamente impossível sem serem realizados testes ao seu funcionamento. Na inexistência de um simulador para este tipo de operações foi desenvolvido o ARENA (cooperAtive multi Robot frontiEr exploratioN simulAtor). Este é composto por um conjunto de novos pacotes especi¿camente desenvolvidos para a identi¿cação de fronteiras (aap_frontiers) e para a otimização da simulação, através de simpli¿cações no processo de obtenção dos mapas (aap_mapping) e posterior combinação dos mesmos, originando o mapa global (aap_map_merger).Estas soluções foram validadas através de testes em simulação, recorrendo a unidades móveis equipadas com um LRF (Laser Range Finder). Testes esses que demonstraram a diminuição do tempo de exploração quando é aumentado o número de robôs, apresentando um desempenho adequado tanto em termos de escalabilidade como de e¿ciência na exploração. Foi ainda realizada, com sucesso, a exploração com uma equipa de robôs reais que comunicam através de uma rede sem ¿os, de forma a validar o funcionamento prático deste projeto.

Over the years the growing in¿uence of robotics in the human domain has been noticeable from industrial to space and medical applications as well as a tool in adverse environments and even in everyday tasks. Many of these applications require the use of a team of several cooperating mobile robots - Cooperative Multi-Robot System (CMRS) - to make the execution of certain tasks possible and to improve the performance achieved by only one robot.Although the cooperation capacity is innate to humans, the robotic domain features a number of new challenges: communication, timing of the information obtained and the merger of that information.When cooperation among multiple robots is applied in an exploration context challenges increase. It is essential to take the costs and utility of that exploration into account.This dissertation aims to present a solution to the aforementioned problem. Therefore, a method has been developed, capable of assigning to di¿erent robots a cooperative behavior in order to explore an environment, following a philosophy of "divide and conquer".The CoopExp, package with the operation algorithm, was developed according to a distributed approach in order to increase resistance to individual failures of the exploration agents. Accordingly, a method that is able to calculate the costs involved in a faster and more e¿cient way, was created. Furthermore, an approach to exploration utility was also established, based on a compendium of techniques described in the literature.The development of such programs would have practically been impossible without performing tests on its functioning. In the absence of a simulator for this type of operation, the ARENA (cooperAtive multi Robot frontiEr exploratioN simulAtor) was developed. It consists of a set of new packages speci¿cally designed for frontier identi¿cation (aap_frontiers) and to optimize the simulation, through simpli¿cations in the process of achieving the maps (aap_mapping) and their subsequent combination, yielding the global map (aap_map_merger).Such solutions were validated through simulation tests, using mobile units equipped with a LRF (Laser Range Finder). These tests showed that exploration time decreases when the number of robots is increased, presenting a proper performance in terms of scalability and e¿ciency in exploration. Last but not least, a exploration with a real team of robots was successfully carried out that was able to communicate through a wireless network in order to validate the practical functioning of this project.