Collision Free Navigation of a Multi-Robot Team for Intruder Interception

In this report, we propose a decentralised motion control algorithm for the mobile robots to intercept an intruder entering (k-intercepting) or escaping (e-intercepting) a protected region. In continuation, we propose a decentralized navigation strategy (dynamic-intercepting) for a multi-robot team known as predators to intercept the intruders or in the other words, preys, from escaping a siege ring which is created by the predators. A necessary and sufficient condition for the existence of a solution of this problem is obtained. Furthermore, we propose an intelligent game-based decision-making algorithm (IGD) for a fleet of mobile robots to maximize the probability of detection in a bounded region. We prove that the proposed decentralised cooperative and non-cooperative game-based decision-making algorithm enables each robot to make the best decision to choose the shortest path with minimum local information. Then we propose a leader-follower based collision-free navigation control method for a fleet of mobile robots to traverse an unknown cluttered environment where is occupied by multiple obstacles to trap a target. We prove that each individual team member is able to traverse safely in the region, which is cluttered by many obstacles with any shapes to trap the target while using the sensors in some indefinite switching points and not continuously, which leads to saving energy consumption and increasing the battery life of the robots consequently. And finally, we propose a novel navigation strategy for a unicycle mobile robot in a cluttered area with moving obstacles based on virtual field force algorithm. The mathematical proof of the navigation laws and the computer simulations are provided to confirm the validity, robustness, and reliability of the proposed methods

Navigation of Automatic Vehicle using AI Techniques

In the field of mobile robot navigation have been studied as important task for the new generation of mobile robot i.e. Corobot. For this mobile robot navigation has been viewed for unknown environment. We consider the 4-wheeled vehicle (Corobot) for Path Planning, an autonomous robot and an obstacle and collision avoidance to be used in sensor based robot. We propose that the predefined distance from the robot to target and make the robot follow the target at this distance and improve the trajectory tracking characteristics. The robot will then navigate among these obstacles without hitting them and reach the specified goal point. For these goal achieving we use different techniques radial basis function and back-propagation algorithm under the study of neural network. In this Corobot a robotic arm are assembled and the kinematic analyses of Corobot arm and help of Phidget Control Panel a wheeled to be moved in both forward and reverse direction by 2-motor controller have to be done. Under kinematic analysis propose the relationships between the positions and orientation of the links of a manipulator. In these studies an artificial techniques and their control strategy are shown with potential applications in the fields of industry, security, defense, investigation, and others. Here finally, the simulation result using the webot neural network has been done and this result is compared with experimental data for different training pattern

Dynamic path planning of multiple mobile robots

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

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

No abstract available

Human-aware space sharing and navigation for an interactive robot

Les méthodes de planification de mouvements robotiques se sont développées à un rythme accéléré ces dernières années. L'accent a principalement été mis sur le fait de rendre les robots plus efficaces, plus sécurisés et plus rapides à réagir à des situations imprévisibles. En conséquence, nous assistons de plus en plus à l'introduction des robots de service dans notre vie quotidienne, en particulier dans les lieux publics tels que les musées, les centres commerciaux et les aéroports. Tandis qu'un robot de service mobile se déplace dans l'environnement humain, il est important de prendre en compte l'effet de son comportement sur les personnes qu'il croise ou avec lesquelles il interagit. Nous ne les voyons pas comme de simples machines, mais comme des agents sociaux et nous nous attendons à ce qu'ils se comportent de manière similaire à l'homme en suivant les normes sociétales comme des règles. Ceci a créé de nouveaux défis et a ouvert de nouvelles directions de recherche pour concevoir des algorithmes de commande de robot, qui fournissent des comportements de robot acceptables, lisibles et proactifs. Cette thèse propose une méthode coopérative basée sur l'optimisation pour la planification de trajectoire et la navigation du robot avec des contraintes sociales intégrées pour assurer des mouvements de robots prudents, conscients de la présence de l'être humain et prévisibles. La trajectoire du robot est ajustée dynamiquement et continuellement pour satisfaire ces contraintes sociales. Pour ce faire, nous traitons la trajectoire du robot comme une bande élastique (une construction mathématique représentant la trajectoire du robot comme une série de positions et une différence de temps entre ces positions) qui peut être déformée (dans l'espace et dans le temps) par le processus d'optimisation pour respecter les contraintes données. De plus, le robot prédit aussi les trajectoires humaines plausibles dans la même zone d'exploitation en traitant les chemins humains aussi comme des bandes élastiques. Ce système nous permet d'optimiser les trajectoires des robots non seulement pour le moment présent, mais aussi pour l'interaction entière qui se produit lorsque les humains et les robots se croisent les uns les autres. Nous avons réalisé un ensemble d'expériences avec des situations interactives humains-robots qui se produisent dans la vie de tous les jours telles que traverser un couloir, passer par une porte et se croiser sur de grands espaces ouverts. La méthode de planification coopérative proposée se compare favorablement à d'autres schémas de planification de la navigation à la pointe de la technique. Nous avons augmenté le comportement de navigation du robot avec un mouvement synchronisé et réactif de sa tête. Cela permet au robot de regarder où il va et occasionnellement de détourner son regard vers les personnes voisines pour montrer que le robot va éviter toute collision possible avec eux comme prévu par le planificateur. À tout moment, le robot pondère les multiples critères selon le contexte social et décide de ce vers quoi il devrait porter le regard. Grâce à une étude utilisateur en ligne, nous avons montré que ce mécanisme de regard complète efficacement le comportement de navigation ce qui améliore la lisibilité des actions du robot. Enfin, nous avons intégré notre schéma de navigation avec un système de supervision plus large qui peut générer conjointement des comportements du robot standard tel que l'approche d'une personne et l'adaptation de la vitesse du robot selon le groupe de personnes que le robot guide dans des scénarios d'aéroport ou de musée.The methods of robotic movement planning have grown at an accelerated pace in recent years. The emphasis has mainly been on making robots more efficient, safer and react faster to unpredictable situations. As a result we are witnessing more and more service robots introduced in our everyday lives, especially in public places such as museums, shopping malls and airports. While a mobile service robot moves in a human environment, it leaves an innate effect on people about its demeanor. We do not see them as mere machines but as social agents and expect them to behave humanly by following societal norms and rules. This has created new challenges and opened new research avenues for designing robot control algorithms that deliver human-acceptable, legible and proactive robot behaviors. This thesis proposes a optimization-based cooperative method for trajectoryplanning and navigation with in-built social constraints for keeping robot motions safe, human-aware and predictable. The robot trajectory is dynamically and continuously adjusted to satisfy these social constraints. To do so, we treat the robot trajectory as an elastic band (a mathematical construct representing the robot path as a series of poses and time-difference between those poses) which can be deformed (both in space and time) by the optimization process to respect given constraints. Moreover, we also predict plausible human trajectories in the same operating area by treating human paths also as elastic bands. This scheme allows us to optimize the robot trajectories not only for the current moment but for the entire interaction that happens when humans and robot cross each other's paths. We carried out a set of experiments with canonical human-robot interactive situations that happen in our everyday lives such as crossing a hallway, passing through a door and intersecting paths on wide open spaces. The proposed cooperative planning method compares favorably against other stat-of-the-art human-aware navigation planning schemes. We have augmented robot navigation behavior with synchronized and responsive movements of the robot head, making the robot look where it is going and occasionally diverting its gaze towards nearby people to acknowledge that robot will avoid any possible collision with them. At any given moment the robot weighs multiple criteria according to the social context and decides where it should turn its gaze. Through an online user study we have shown that such gazing mechanism effectively complements the navigation behavior and it improves legibility of the robot actions. Finally, we have integrated our navigation scheme with a broader supervision system which can jointly generate normative robot behaviors such as approaching a person and adapting the robot speed according to a group of people who the robot guides in airports or museums

Feasible, Robust and Reliable Automation and Control for Autonomous Systems

The Special Issue book focuses on highlighting current research and developments in the automation and control field for autonomous systems as well as showcasing state-of-the-art control strategy approaches for autonomous platforms. The book is co-edited by distinguished international control system experts currently based in Sweden, the United States of America, and the United Kingdom, with contributions from reputable researchers from China, Austria, France, the United States of America, Poland, and Hungary, among many others. The editors believe the ten articles published within this Special Issue will be highly appealing to control-systems-related researchers in applications typified in the fields of ground, aerial, maritime vehicles, and robotics as well as industrial audiences

Advanced Mobile Robotics: Volume 3

Mobile robotics is a challenging field with great potential. It covers disciplines including electrical engineering, mechanical engineering, computer science, cognitive science, and social science. It is essential to the design of automated robots, in combination with artificial intelligence, vision, and sensor technologies. Mobile robots are widely used for surveillance, guidance, transportation and entertainment tasks, as well as medical applications. This Special Issue intends to concentrate on recent developments concerning mobile robots and the research surrounding them to enhance studies on the fundamental problems observed in the robots. Various multidisciplinary approaches and integrative contributions including navigation, learning and adaptation, networked system, biologically inspired robots and cognitive methods are welcome contributions to this Special Issue, both from a research and an application perspective

UAV Optimal Cooperative Obstacle Avoidance and Target Tracking in Dynamic Stochastic Environments

Cette thèse propose une stratégie de contrôle avancée pour guider une flotte d'aéronefs sans pilote (UAV) dans un environnement à la fois stochastique et dynamique. Pour ce faire, un simulateur de vol 3D a été développé avec MATLAB® pour tester les algorithmes de la stratégie de guidage en fonctions de différents scénarios. L'objectif des missions simulées est de s'assurer que chaque UAV intercepte une cible ellipsoïdale mobile tout en évitant une panoplie d'obstacles ellipsoïdaux mobiles détectés en route. Les UAVs situés à l'intérieur des limites de communication peuvent coopérer afin d'améliorer leurs performances au cours de la mission. Le simulateur a été conçu de façon à ce que les UAV soient dotés de capteurs et d'appareils de communication de portée limitée. De plus, chaque UAV possède un pilote automatique qui stabilise l'aéronef en vol et un planificateur de trajectoires qui génère les commandes à envoyer au pilote automatique. Au coeur du planificateur de trajectoires se trouve un contrôleur prédictif à horizon fuyant qui détermine les commandes à envoyer à l'UAV. Ces commandes optimisent un critère de performance assujetti à des contraintes. Le critère de performance est conçu de sorte que les UAV atteignent les objectifs de la mission, alors que les contraintes assurent que les commandes générées adhèrent aux limites de manoeuvrabilité de l'aéronef. La planification de trajectoires pour UAV opérant dans un environnement dynamique et stochastique dépend fortement des déplacements anticipés des objets (obstacle, cible). Un filtre de Kalman étendu est donc utilisé pour prédire les trajectoires les plus probables des objets à partir de leurs états estimés. Des stratégies de poursuite et d'évitement ont aussi été développées en fonction des trajectoires prédites des objets détectés. Pour des raisons de sécurité, la conception de stratégies d'évitement de collision à la fois efficaces et robustes est primordiale au guidage d'UAV. Une nouvelle stratégie d'évitement d'obstacles par approche probabiliste a donc été développée. La méthode cherche à minimiser la probabilité de collision entre l'UAV et tous ses obstacles détectés sur l'horizon de prédiction, tout en s'assurant que, à chaque pas de prédiction, la probabilité de collision entre l'UAV et chacun de ses obstacles détectés ne surpasse pas un seuil prescrit. Des simulations sont présentées au cours de cette thèse pour démontrer l'efficacité des algorithmes proposés

Wide-Area Surveillance System using a UAV Helicopter Interceptor and Sensor Placement Planning Techniques

This project proposes and describes the implementation of a wide-area surveillance system comprised of a sensor/interceptor placement planning and an interceptor unmanned aerial vehicle (UAV) helicopter. Given the 2-D layout of an area, the planning system optimally places perimeter cameras based on maximum coverage and minimal cost. Part of this planning system includes the MATLAB implementation of Erdem and Sclaroff’s Radial Sweep algorithm for visibility polygon generation. Additionally, 2-D camera modeling is proposed for both fixed and PTZ cases. Finally, the interceptor is also placed to minimize shortest-path flight time to any point on the perimeter during a detection event. Secondly, a basic flight control system for the UAV helicopter is designed and implemented. The flight control system’s primary goal is to hover the helicopter in place when a human operator holds an automatic-flight switch. This system represents the first step in a complete waypoint-navigation flight control system. The flight control system is based on an inertial measurement unit (IMU) and a proportional-integral-derivative (PID) controller. This system is implemented using a general-purpose personal computer (GPPC) running Windows XP and other commercial off-the-shelf (COTS) hardware. This setup differs from other helicopter control systems which typically use custom embedded solutions or micro-controllers. Experiments demonstrate the sensor placement planning achieving \u3e90% coverage at optimized-cost for several typical areas given multiple camera types and parameters. Furthermore, the helicopter flight control system experiments achieve hovering success over short flight periods. However, the final conclusion is that the COTS IMU is insufficient for high-speed, high-frequency applications such as a helicopter control system