4 research outputs found
Introducing the fractional-order Darwinian PSO
One of the most well-known bio-inspired algorithms
used in optimization problems is the particle swarm
optimization (PSO), which basically consists on a machinelearning
technique loosely inspired by birds flocking in
search of food. More specifically, it consists of a number
of particles that collectively move on the search space in
search of the global optimum. The Darwinian particle swarm
optimization (DPSO) is an evolutionary algorithm that extends
the PSO using natural selection, or survival of the fittest,
to enhance the ability to escape from local optima. This
paper firstly presents a survey on PSO algorithms mainly
focusing on the DPSO. Afterward, a method for controlling
the convergence rate of the DPSO using fractional calculus
(FC) concepts is proposed. The fractional-order optimization
algorithm, denoted as FO-DPSO, is tested using several
well-known functions, and the relationship between the fractional-order velocity and the convergence of the algorithm
is observed. Moreover, experimental results show that
the FO-DPSO significantly outperforms the previously presented
FO-PSO
Integration of Segmentation Techniques for Classification of Hyperspectral Images
A new spectral-spatial method for classification of hyperspectral images is introduced. The proposed approach is based on two segmentation methods, fractional-order Darwinian particle swarm optimization and mean shift segmentation. The output of these two methods is classified by support vector machines. Experimental results indicate that the integration of the two segmentation methods can overcome the drawbacks of each other and increase the overall accuracy in classification.Ritrýnt tímari
Evolutionary Robot Swarms Under Real-World Constraints
Tese de doutoramento em Engenharia Electrotécnica
e de Computadores, na especialidade de Automação e Robótica, apresentada ao Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de CoimbraNas últimas décadas, vários cientistas e engenheiros têm vindo a estudar as estratégias provenientes da natureza. Dentro das arquiteturas biológicas, as sociedades que vivem em enxames revelam que agentes simplistas, tais como formigas ou pássaros, são capazes de realizar tarefas complexas usufruindo de mecanismos de cooperação. Estes sistemas abrangem todas as condições necessárias para a sobrevivência, incorporando comportamentos de cooperação, competição e adaptação. Na “batalha” sem fim em prol do progresso dos mecanismos artificiais desenvolvidos pelo homem, a ciência conseguiu simular o primeiro comportamento em enxame no final dos anos oitenta. Desde então, muitas outras áreas, entre as quais a robótica, beneficiaram de mecanismos de tolerância a falhas inerentes da inteligência coletiva de enxames.
A área de investigação deste estudo incide na robótica de enxame, consistindo num domínio particular dos sistemas robóticos cooperativos que incorpora os mecanismos de inteligência coletiva de enxames na robótica. Mais especificamente, propõe-se uma solução completa de robótica de enxames a ser aplicada em contexto real. Nesta ótica, as operações de busca e salvamento foram consideradas como o caso de estudo principal devido ao nível de complexidade associado às mesmas. Tais operações ocorrem tipicamente em cenários dinâmicos de elevadas dimensões, com condições adversas que colocam em causa a aplicabilidade dos sistemas robóticos cooperativos. Este estudo centra-se nestes problemas, procurando novos desafios que não podem ser ultrapassados através da simples adaptação da literatura da especialidade em algoritmos de enxame, planeamento, controlo e técnicas de tomada de decisão.
As contribuições deste trabalho sustentam-se em torno da extensão do método Particle Swarm Optimization (PSO) aplicado a sistemas robóticos cooperativos, denominado de Robotic Darwinian Particle Swarm Optimization (RDPSO). O RDPSO consiste numa arquitetura robótica de enxame distribuída que beneficia do particionamento dinâmico da população de robôs utilizando mecanismos evolucionários de exclusão social baseados na sobrevivência do mais forte de Darwin. No entanto, apesar de estar assente no caso de estudo do RDPSO, a aplicabilidade dos conceitos aqui propostos não se encontra restrita ao mesmo, visto que todos os algoritmos parametrizáveis de enxame de robôs podem beneficiar de uma abordagem idêntica.
Os fundamentos em torno do RDPSO são introduzidos, focando-se na dinâmica dos robôs, nos constrangimentos introduzidos pelos obstáculos e pela comunicação, e nas suas propriedades evolucionárias. Considerando a colocação inicial dos robôs no ambiente como algo fundamental para aplicar sistemas de enxames em aplicações reais, é assim introduzida uma estratégia de colocação de robôs realista. Para tal, a população de robôs é dividida de forma hierárquica, em que são utilizadas plataformas mais robustas para colocar as plataformas de enxame no cenário de forma autónoma. Após a colocação dos robôs no cenário, é apresentada uma estratégia para permitir a criação e manutenção de uma rede de comunicação móvel ad hoc com tolerância a falhas. Esta estratégia não considera somente a distância entre robôs, mas também a qualidade do nível de sinal rádio frequência, redefinindo assim a sua aplicabilidade em cenários reais. Os aspetos anteriormente mencionados estão sujeitos a uma análise detalhada do sistema de comunicação inerente ao algoritmo, para atingir uma implementação mais escalável do RDPSO a cenários de elevada complexidade. Esta elevada complexidade inerente à dinâmica dos cenários motivaram a ultimar o desenvolvimento do RDPSO, integrando para o efeito um mecanismo adaptativo baseado em informação contextual (e.g., nível de atividade do grupo).
Face a estas considerações, o presente estudo pode contribuir para expandir o estado-da-arte em robótica de enxame com algoritmos inovadores aplicados em contexto real. Neste sentido, todos os métodos propostos foram extensivamente validados e comparados com alternativas, tanto em simulação como com robôs reais. Para além disso, e dadas as limitações destes (e.g., número limitado de robôs, cenários de dimensões limitadas, constrangimentos reais limitados), este trabalho contribui ainda para um maior aprofundamento do estado-da-arte, onde se propõe um modelo macroscópico capaz de capturar a dinâmica inerente ao RDPSO e, até certo ponto, estimar analiticamente o desempenho coletivo dos robôs perante determinada tarefa.
Em suma, esta investigação pode ter aplicabilidade prática ao colmatar a lacuna que se faz sentir no âmbito das estratégias de enxames de robôs em contexto real e, em particular, em cenários de busca e salvamento.Over the past decades, many scientists and engineers have been studying nature’s best and time-tested
patterns and strategies. Within the existing biological architectures, swarm societies revealed that
relatively unsophisticated agents with limited capabilities, such as ants or birds, were able to cooperatively
accomplish complex tasks necessary for their survival. Those simplistic systems embrace all
the conditions necessary to survive, thus embodying cooperative, competitive and adaptive behaviours.
In the never-ending battle to advance artificial manmade mechanisms, computer scientists simulated
the first swarm behaviour designed to mimic the flocking behaviour of birds in the late eighties.
Ever since, many other fields, such as robotics, have benefited from the fault-tolerant mechanism
inherent to swarm intelligence.
The area of research presented in this Ph.D. Thesis focuses on swarm robotics, which is a particular
domain of multi-robot systems (MRS) that embodies the mechanisms of swarm intelligence
into robotics. More specifically, this Thesis proposes a complete swarm robotic solution that can be
applied to real-world missions. Although the proposed methods do not depend on any particular application,
search and rescue (SaR) operations were considered as the main case study due to their
inherent level of complexity. Such operations often occur in highly dynamic and large scenarios, with
harsh and faulty conditions, that pose several problems to MRS applicability. This Thesis focuses on
these problems raising new challenges that cannot be handled appropriately by simple adaptation of
state-of-the-art swarm algorithms, planning, control and decision-making techniques.
The contributions of this Thesis revolve around an extension of the Particle Swarm Optimization
(PSO) to MRS, denoted as Robotic Darwinian Particle Swarm Optimization (RDPSO). The RDPSO
is a distributed swarm robotic architecture that benefits from the dynamical partitioning of the whole
swarm of robots by means of an evolutionary social exclusion mechanism based on Darwin’s survival-of-the-fittest.
Nevertheless, although currently applied solely to the RDPSO case study, the applicability
of all concepts herein proposed is not restricted to it, since all parameterized swarm robotic
algorithms may benefit from a similar approach The RDPSO is then proposed and used to devise the applicability of novel approaches. The fundamentals
around the RDPSO are introduced by focusing on robots’ dynamics, obstacle avoidance,
communication constraints and its evolutionary properties. Afterwards, taking the initial deployment
of robots within the environment as a basis for applying swarm robotics systems into real-world applications,
the development of a realistic deployment strategy is proposed. For that end, the population
of robots is hierarchically divided, wherein larger support platforms autonomously deploy
smaller exploring platforms in the scenario, while considering communication constraints and obstacles.
After the deployment, a way of ensuring a fault-tolerant multi-hop mobile ad hoc communication
network (MANET) is introduced to explicitly exchange information needed in a collaborative realworld
task execution. Such strategy not only considers the maximum communication range between
robots, but also the minimum signal quality, thus refining the applicability to real-world context. This
is naturally followed by a deep analysis of the RDPSO communication system, describing the dynamics
of the communication data packet structure shared between teammates. Such procedure is a
first step to achieving a more scalable implementation by optimizing the communication procedure
between robots. The highly dynamic characteristics of real-world applications motivated us to ultimate
the RDPSO development with an adaptive strategy based on a set of context-based evaluation
metrics.
This thesis contributes to the state-of-the-art in swarm robotics with novel algorithms for realworld
applications. All of the proposed approaches have been extensively validated in benchmarking
tasks, in simulation, and with real robots. On top of that, and due to the limitations inherent to those
(e.g., number of robots, scenario dimensions, real-world constraints), this Thesis further contributes
to the state-of-the-art by proposing a macroscopic model able to capture the RDPSO dynamics and,
to some extent, analytically estimate the collective performance of robots under a certain task. It is
the author’s expectation that this Ph.D. Thesis may shed some light into bridging the reality gap
inherent to the applicability of swarm strategies to real-world scenarios, and in particular to SaR operations.FCT - SFRH/BD /73382/201