(Re)planejamento de rotas em tempo real para missões estratégicas

Abstract

Esta dissertação visa o planejamento de rotas em tempo real para guiar formações he- terogêneas do tipo estrutura virtual triangular, compostas por um veı́culo terrestre não tripulado (VTNT) e dois veı́culos aéreos não tripulados (VANTs). As formações navegam em ambientes semiestruturados e possuem estratégias tolerantes a falhas, capazes de lidar com situações de nı́vel baixo de bateria, dificuldade de comunicação entre os robôs, proble- mas mecânicos com os robôs terrestres e detecção de rota impossı́vel. Inicialmente, um planejador de caminhos baseado nos algoritmos Lifelong Planning A* (LPA*) e Dijkstra determina a rota a ser seguida por um VTNT, em um ambiente sujeito a alterações devido à inclusão de obstáculos. Na sequência, a estrutura triangular é definida e as estratégias de tolerância a falhas são apresentadas para guiar uma formação heterogênea de um VTNT e dois VANTs (um real e um virtual). Em seguida, fazendo junção das abordagens, formações heterogêneas de robôs navegam e simulam possı́veis falhas tanto no VANT como no VTNT. Por fim, as mesmas formações heterogêneas navegam em ambientes cujos mapas podem sofrer alterações e as rotas dos VTNTs devem ser replanejadas, quando necessário. Resul- tados de simulação e de experimentos reais validam as estratégias propostas e corroboram a análise teórica. Palavras-chave: Robótica Móvel. Tolerante a Falhas. Formação. Planejamento de Cami- nho. Cooperação de robôs. VANT. VTNT.

This thesis aims to plan routes in real time to guide heterogeneous triangular formations, dealt with as virtual-structures type, composed by an unmanned ground vehicle (UGV) and two unmanned aerial vehicles (UAVs). The formations navigate in semi-structured environments and have fault-tolerant strategies, capable of dealing with situations such as low battery level, difficulty of communication between robots, mechanical problems with terrestrial robots and detection of an impossible route. Initially, a path planner based on the Lifelong Planning A* (LPA*) and Dijkstra algorithms determines the route to be followed by a UGV, in an environment subject to changes due to the inclusion of obstacles. Then, the triangular structure is defined and the strategies of fault tolerance are presented to guide a heterogeneous formation of a UGV and two UAVs (one real and one virtual). Then, associating both approaches, heterogeneous robot formations navigate and simulate possible failures in both UAV and UGV. Finally, the same heterogeneous formations navigate in environments whose maps may change, and the routes of the UGVs must be replanned, when necessary. Simulation and experimental results validate the proposed strategies and corroborate the theoretical analysis. Keywords: Mobile Robots. Fault-Tolerant. Formation. Path Planning. Robot Cooperation. UAV. UGV.