Design of an UAV swarm

This master thesis tries to give an overview on the general aspects involved in the design of an UAV swarm. UAV swarms are continuoulsy gaining popularity amongst researchers and UAV manufacturers, since they allow greater success rates in task accomplishing with reduced times. Appart from this, multiple UAVs cooperating between them opens a new field of missions that can only be carried in this way. All the topics explained within this master thesis will explain all the agents involved in the design of an UAV swarm, from the communication protocols between them, navigation and trajectory analysis and task allocation

Visual attention and swarm cognition for off-road robots

Tese de doutoramento, Informática (Engenharia Informática), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2011Esta tese aborda o problema da modelação de atenção visual no contexto de robôs autónomos todo-o-terreno. O objectivo de utilizar mecanismos de atenção visual é o de focar a percepção nos aspectos do ambiente mais relevantes à tarefa do robô. Esta tese mostra que, na detecção de obstáculos e de trilhos, esta capacidade promove robustez e parcimónia computacional. Estas são características chave para a rapidez e eficiência dos robôs todo-o-terreno. Um dos maiores desafios na modelação de atenção visual advém da necessidade de gerir o compromisso velocidade-precisão na presença de variações de contexto ou de tarefa. Esta tese mostra que este compromisso é resolvido se o processo de atenção visual for modelado como um processo auto-organizado, cuja operação é modulada pelo módulo de selecção de acção, responsável pelo controlo do robô. Ao fechar a malha entre o processo de selecção de acção e o de percepção, o último é capaz de operar apenas onde é necessário, antecipando as acções do robô. Para fornecer atenção visual com propriedades auto-organizadas, este trabalho obtém inspiração da Natureza. Concretamente, os mecanismos responsáveis pela capacidade que as formigas guerreiras têm de procurar alimento de forma auto-organizada, são usados como metáfora na resolução da tarefa de procurar, também de forma auto-organizada, obstáculos e trilhos no campo visual do robô. A solução proposta nesta tese é a de colocar vários focos de atenção encoberta a operar como um enxame, através de interacções baseadas em feromona. Este trabalho representa a primeira realização corporizada de cognição de enxame. Este é um novo campo de investigação que procura descobrir os princípios básicos da cognição, inspeccionando as propriedades auto-organizadas da inteligência colectiva exibida pelos insectos sociais. Logo, esta tese contribui para a robótica como disciplina de engenharia e para a robótica como disciplina de modelação, capaz de suportar o estudo do comportamento adaptável.Esta tese aborda o problema da modelação de atenção visual no contexto de robôs autónomos todo-o-terreno. O objectivo de utilizar mecanismos de atenção visual é o de focar a percepção nos aspectos do ambiente mais relevantes à tarefa do robô. Esta tese mostra que, na detecção de obstáculos e de trilhos, esta capacidade promove robustez e parcimónia computacional. Estas são características chave para a rapidez e eficiência dos robôs todo-o-terreno. Um dos maiores desafios na modelação de atenção visual advém da necessidade de gerir o compromisso velocidade-precisão na presença de variações de contexto ou de tarefa. Esta tese mostra que este compromisso é resolvido se o processo de atenção visual for modelado como um processo auto-organizado, cuja operação é modulada pelo módulo de selecção de acção, responsável pelo controlo do robô. Ao fechar a malha entre o processo de selecção de acção e o de percepção, o último é capaz de operar apenas onde é necessário, antecipando as acções do robô. Para fornecer atenção visual com propriedades auto-organizadas, este trabalho obtém inspi- ração da Natureza. Concretamente, os mecanismos responsáveis pela capacidade que as formi- gas guerreiras têm de procurar alimento de forma auto-organizada, são usados como metáfora na resolução da tarefa de procurar, também de forma auto-organizada, obstáculos e trilhos no campo visual do robô. A solução proposta nesta tese é a de colocar vários focos de atenção encoberta a operar como um enxame, através de interacções baseadas em feromona. Este trabalho representa a primeira realização corporizada de cognição de enxame. Este é um novo campo de investigação que procura descobrir os princípios básicos da cognição, ins- peccionando as propriedades auto-organizadas da inteligência colectiva exibida pelos insectos sociais. Logo, esta tese contribui para a robótica como disciplina de engenharia e para a robótica como disciplina de modelação, capaz de suportar o estudo do comportamento adaptável.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT,SFRH/BD/27305/2006); Laboratory of Agent Modelling (LabMag

Dynamic Guarding of Marine Assets Through Cluster Control of Automated Surface Vessel Fleets

There is often a need to mark or patrol marine areas in order to prevent boat traffic from approaching critical regions, such as the location of a high-value vessel, a dive site, or a fragile marine ecosystem. In this paper, we describe the use of a fleet of robotic kayaks that provides such a function: the fleet circumnavigates the critical area until a threatening boat approaches, at which point the fleet establishes a barrier between the ship and the protected area. Coordinated formation control of the fleet is implemented through the use of the cluster-space control architecture, which is a full-order controller that treats the fleet as a virtual, articulating, kinematic mechanism. An application-specific layer interacts with the cluster-space controller in order for an operator to directly specify and monitor guarding-related parameters, such as the spacing between boats. This system has been experimentally verified in the field with a fleet of robotic kayaks. In this paper, we describe the control architecture used to establish the guarding behavior, review the design of the robotic kayaks, and present experimental data regarding the functionality and performance of the system.Fil: Mahacek, Paul. Santa Clara University; Estados UnidosFil: Kitts, Christopher A.. Santa Clara University; Estados UnidosFil: Mas, Ignacio Agustin. Santa Clara University; Estados Unidos. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentin

Computational intelligence approaches to robotics, automation, and control [Volume guest editors]

No abstract available

Cluster Control of Automated Surface Vessels

This research focuses on the design and control of a fleet of robotic kayaks, and presents experimental data regarding the functionality and performance of the system. One of the key technical challenges in fielding multi-robot systems for real-world applications is the coordination and relative motion control of the individual units. Coordinated formation control of the fleet is implemented through the use of the cluster space control architecture, which is a full-order controller that treats the fleet as a virtual, articulating, kinematic mechanism. The resulting system is capable of autonomous navigation utilizing a centralized controller, currently implemented via a shore-based computer that wirelessly receives ASV data and relays control commands. Using the cluster space control approach, these control commands allow a cluster supervisor to oversee a flexible and mobile formation formed by the ASV cluster. This paper includes an extended appendix which includes MatLab and Simulink code as well as two publications completed in the process of this research

Space-Time Continuous Models of Swarm Robotic Systems: Supporting Global-to-Local Programming

A generic model in as far as possible mathematical closed-form was developed that predicts the behavior of large self-organizing robot groups (robot swarms) based on their control algorithm. In addition, an extensive subsumption of the relatively young and distinctive interdisciplinary research field of swarm robotics is emphasized. The connection to many related fields is highlighted and the concepts and methods borrowed from these fields are described shortly