1

Auto-OrganizaAuto-Organização entre ção entre Robôs Móveis Robôs Móveis CooperativosCooperativos

Aluno: Hélcio B. de MelloAluno: Hélcio B. de Mello

Professor: Markus EndlerProfessor: Markus Endler

2

RoteiroRoteiro

MotivaçãoMotivação Comportamento básicoComportamento básico Auto-organizaçãoAuto-organização CooperaçãoCooperação ConclusãoConclusão

3

MotivaçãoMotivação

Uso de robôs cada vez mais Uso de robôs cada vez mais freqüentefreqüente– EficiênciaEficiência– PrecisãoPrecisão– SegurançaSegurança– EconomiaEconomia

4

MotivaçãoMotivação

Evolução científicaEvolução científica– EletrônicaEletrônica– MecânicaMecânica– Ciência da ComputaçãoCiência da Computação

AplicaçõesAplicações– ResgateResgate– Exploração / ReconhecimentoExploração / Reconhecimento– MilitarMilitar

5

MotivaçãoMotivação

Robô único x robôs múltiplosRobô único x robôs múltiplos– Tolerância a falhasTolerância a falhas– Custo da produção em massaCusto da produção em massa– Limitações físicasLimitações físicas– Viabilidade tecnológicaViabilidade tecnológica

6

MotivaçãoMotivação

Controle centralizado x distribuídoControle centralizado x distribuído– Tolerância a falhasTolerância a falhas– EscalabilidadeEscalabilidade– SimplicidadeSimplicidade– ParalelismoParalelismo

Grupos homogêneos x heterogêneosGrupos homogêneos x heterogêneos– Tolerância a falhasTolerância a falhas– Custo da especializaçãoCusto da especialização

7

Exemplo - Acidente de Exemplo - Acidente de TremTrem

Espalhamento de material tóxicoEspalhamento de material tóxico– Perigo à saúde dos seres humanosPerigo à saúde dos seres humanos– Missão: avaliar dimensões do acidenteMissão: avaliar dimensões do acidente

Dispersão dos robôs por helicópteroDispersão dos robôs por helicóptero– Danos devido à quedaDanos devido à queda– Defeito de fabricaçãoDefeito de fabricação– Obstáculos intransponíveisObstáculos intransponíveis

8

Exemplo - Acidente de Exemplo - Acidente de TremTrem

Robôs assumem formaçãoRobôs assumem formação– Círculo / RetânguloCírculo / Retângulo– LinhaLinha

Ajustar formação em caso de falhasAjustar formação em caso de falhas

Movimento cooperativo para varrer Movimento cooperativo para varrer áreaárea

9

Exemplos da NaturezaExemplos da Natureza

Sociedades de animaisSociedades de animais– CardumesCardumes

Defesa - dispersão e recomposiçãoDefesa - dispersão e recomposição Caça - localização de comidaCaça - localização de comida Ataque - formação em parábola (atum)Ataque - formação em parábola (atum) Formação por manutenção de posição e Formação por manutenção de posição e

velocidade em relação ao vizinhovelocidade em relação ao vizinho

– BandosBandos Diminuição da resistência do ar.Diminuição da resistência do ar.

10

Exemplos da NaturezaExemplos da Natureza

Cupins / formigasCupins / formigas– Construção de ninhos / formigueirosConstrução de ninhos / formigueiros– Caminho mais curtoCaminho mais curto– Presas mais recompensadorasPresas mais recompensadoras– Exploração de terrenoExploração de terreno– Inexistência de comunicação diretaInexistência de comunicação direta

11

Comportamento BásicoComportamento Básico

Arquitetura de Arquitetura de subsumptionsubsumption Comportamentos de alta Comportamentos de alta

prioridade suprimem os de baixa prioridade suprimem os de baixa prioridade.prioridade.

Exemplo: SquirtExemplo: Squirt– Esconder-se nas sombrasEsconder-se nas sombras– Seguir ruídosSeguir ruídos

12

SubsumptionSubsumption - exemplo - exemplo

13

Comportamento BásicoComportamento Básico

PosicionamentoPosicionamento– Absoluto x relativoAbsoluto x relativo

GPSGPS Sistema relativo de coordenadasSistema relativo de coordenadas

– Deslocamento em formaçõesDeslocamento em formações Distribuição da cobertura dos sensoresDistribuição da cobertura dos sensores Robôs preparados para ação imediataRobôs preparados para ação imediata

14

Uso de LimiaresUso de Limiares

VantagensVantagens– Evita oscilação em torno do alvoEvita oscilação em torno do alvo– Reduz impacto de erros de sensoresReduz impacto de erros de sensores– Permite comportamentos suprimidos Permite comportamentos suprimidos

emergirem (emergirem (subsumptionsubsumption).). ExemplosExemplos

– PosicionamentoPosicionamento– Forças VirtuaisForças Virtuais

15

Limiar de PosicionamentoLimiar de Posicionamento

Divide a região em zonasDivide a região em zonas– Balística: robô se movimenta com Balística: robô se movimenta com

velocidade máximavelocidade máxima– Controlada: velocidade reduz Controlada: velocidade reduz

linearmente com a aproximação ao linearmente com a aproximação ao alvoalvo

– Morta: robô fica paradoMorta: robô fica parado

16

Limiar de PosicionamentoLimiar de Posicionamento

17

Limiar de Forças VirtuaisLimiar de Forças Virtuais

Simulação de forças entre robôsSimulação de forças entre robôs– Repulsão se estiverem muito próximosRepulsão se estiverem muito próximos– Atração se estiverem muito longesAtração se estiverem muito longes

Força resultante ignorada se abaixo Força resultante ignorada se abaixo da da força crítica.força crítica.

18

FormaçõesFormações

Facilitam atingir objetivosFacilitam atingir objetivos– Transporte coletivoTransporte coletivo

CarregarCarregar EmpurrarEmpurrar

– CercarCercar ExemplosExemplos

– Circunferência / Círculo / EsferaCircunferência / Círculo / Esfera– Parabolóide de revoluçãoParabolóide de revolução

19

Formações CircularesFormações Circulares

CircunferênciaCircunferência– Sinalizador marca centroSinalizador marca centro– RobRobôs conhecem raio e tolerânciaôs conhecem raio e tolerância– Podem detectar distânciasPodem detectar distâncias– AlgoritmoAlgoritmo

Se d > Se d > r + r + , aproxime-se do centro, aproxime-se do centro Se d Se d < r - < r - , afaste-se do centro, afaste-se do centro Senão, afaste-se do seu vizinho mais Senão, afaste-se do seu vizinho mais

próximopróximo

20

Formações CircularesFormações Circulares

CírculoCírculo– Mesmos pressupostosMesmos pressupostos– AlgoritmoAlgoritmo

Se d > r, aproxime-se do centroSe d > r, aproxime-se do centro Se d < r, afaste-se do robSe d < r, afaste-se do robô mais próximoô mais próximo

EsferaEsfera– Idem círculo, mas em 3D.Idem círculo, mas em 3D.

21

Formações CircularesFormações Circulares

22

Parabolóide de RevoluçãoParabolóide de Revolução

23

Parabolóide de RevoluçãoParabolóide de Revolução

Sinalizadores marcamSinalizadores marcam– FocoFoco– VérticeVértice

Robôs detectam as distâncias df e dv.Robôs detectam as distâncias df e dv.

É suficiente conhecer parâmetro 2a.É suficiente conhecer parâmetro 2a.

24

Parabolóide de RevoluçãoParabolóide de Revolução

25

Parabolóide de RevoluçãoParabolóide de Revolução

SempreSe estiver sobre o parabolóide

26

Parabolóide de RevoluçãoParabolóide de Revolução

Algoritmo (simplificado)Algoritmo (simplificado)– Calcule z_atual e z_parabCalcule z_atual e z_parab– Mova o robôMova o robô

Se z_atual > Se z_atual > z_parab, desçaz_parab, desça Se z_atual < z_parab, subaSe z_atual < z_parab, suba Senão, afaste-se do robô mais próximoSenão, afaste-se do robô mais próximo

Parabolóide se recompõe se os Parabolóide se recompõe se os pontos foco e vértice se moverempontos foco e vértice se moverem

27

Parabolóide de RevoluçãoParabolóide de Revolução

28

CooperaçãoCooperação

Exemplo: empurrar um objetoExemplo: empurrar um objeto– Localizar o objeto (sinalizador)Localizar o objeto (sinalizador)

Alvo dentro do alcanceAlvo dentro do alcance Seguir outros robôsSeguir outros robôs

– Rede Rede ad hocad hoc– Falhas, interferência, etc.Falhas, interferência, etc.

Continuar em linha retaContinuar em linha reta Aguardar seguidorAguardar seguidor

Busca aleatóriaBusca aleatória

29

CooperaçãoCooperação

– Empurrar o objetoEmpurrar o objeto Objeto pode ser pesadoObjeto pode ser pesado Usar muitos robôs atrapalhaUsar muitos robôs atrapalha Organização durante transporteOrganização durante transporte

– Equilíbrio (em caso de carga)Equilíbrio (em caso de carga)– Detecção de estagnaçãoDetecção de estagnação

Sensores de velocidade e forçaSensores de velocidade e força Alteração de ângulo e ponto de aplicaçãoAlteração de ângulo e ponto de aplicação Técnica adotada pelas formigasTécnica adotada pelas formigas

30

Anti-estagnaçãoAnti-estagnação

31

ConclusãoConclusão

Tendência de miniaturizaçãoTendência de miniaturização

Controle distribuído torna sistema robustoControle distribuído torna sistema robusto

Muitas situações tornam o uso de Muitas situações tornam o uso de coordenadas absolutas desnecessáriascoordenadas absolutas desnecessárias

Simulação é um `mal necessário´Simulação é um `mal necessário´