Doutoramento em Engenharia ElectrotécnicaInterest on using teams of mobile robots has been growing, due to their
potential to cooperate for diverse purposes, such as rescue, de-mining,
surveillance or even games such as robotic soccer. These applications require
a real-time middleware and wireless communication protocol that can support
an efficient and timely fusion of the perception data from different robots as well
as the development of coordinated behaviours. Coordinating several
autonomous robots towards achieving a common goal is currently a topic of
high interest, which can be found in many application domains. Despite these
different application domains, the technical problem of building an infrastructure
to support the integration of the distributed perception and subsequent
coordinated action is similar. This problem becomes tougher with stronger
system dynamics, e.g., when the robots move faster or interact with fast
objects, leading to tighter real-time constraints.
This thesis work addressed computing architectures and wireless
communication protocols to support efficient information sharing and
coordination strategies taking into account the real-time nature of robot
activities. The thesis makes two main claims. Firstly, we claim that despite the
use of a wireless communication protocol that includes arbitration mechanisms,
the self-organization of the team communications in a dynamic round that also
accounts for variable team membership, effectively reduces collisions within the
team, independently of its current composition, significantly improving the
quality of the communications. We will validate this claim in terms of packet
losses and communication latency. We show how such self-organization of the
communications can be achieved in an efficient way with the Reconfigurable
and Adaptive TDMA protocol.
Secondly, we claim that the development of distributed perception, cooperation
and coordinated action for teams of mobile robots can be simplified by using a
shared memory middleware that replicates in each cooperating robot all
necessary remote data, the Real-Time Database (RTDB) middleware. These
remote data copies, which are updated in the background by the selforganizing
communications protocol, are extended with age information
automatically computed by the middleware and are locally accessible through
fast primitives. We validate our claim showing a parsimonious use of the
communication medium, improved timing information with respect to the shared
data and the simplicity of use and effectiveness of the proposed middleware
shown in several use cases, reinforced with a reasonable impact in the Middle
Size League of RoboCup.O interesse na utilização de equipas multi-robô tem vindo a crescer, devido ao
seu potencial para cooperarem na resolução de vários problemas, tais como
salvamento, desminagem, vigilância e até futebol robótico. Estas aplicações
requerem uma infraestrutura de comunicação sem fios, em tempo real,
suportando a fusão eficiente e atempada dos dados sensoriais de diferentes
robôs bem como o desenvolvimento de comportamentos coordenados. A
coordenação de vários robôs autónomos com vista a um dado objectivo é
actualmente um tópico que suscita grande interesse, e que pode ser
encontrado em muitos domínios de aplicação. Apesar das diferenças entre
domínios de aplicação, o problema técnico de construir uma infraestrutura para
suportar a integração da percepção distribuída e das acções coordenadas é
similar. O problema torna-se mais difícil à medida que o dinamismo dos robôs
se acentua, por exemplo, no caso de se moverem mais rápido, ou de
interagirem com objectos que se movimentam rapidamente, dando origem a
restrições de tempo-real mais apertadas.
Este trabalho centrou-se no desenvolvimento de arquitecturas computacionais
e protocolos de comunicação sem fios para suporte à partilha de informação e
à realização de acções coordenadas, levando em consideração as restrições
de tempo-real. A tese apresenta duas afirmações principais. Em primeiro
lugar, apesar do uso de um protocolo de comunicação sem fios que inclui
mecanismos de arbitragem, a auto-organização das comunicações reduz as
colisões na equipa, independentemente da sua composição em cada
momento. Esta afirmação é validada em termos de perda de pacotes e latência
da comunicação. Mostra-se também como a auto-organização das
comunicações pode ser atingida através da utilização de um protocolo TDMA
reconfigurável e adaptável sem sincronização de relógio.
A segunda afirmação propõe a utilização de um sistema de memória
partilhada, com replicação nos diferentes robôs, para suportar o
desenvolvimento de mecanismos de percepção distribuída, fusão sensorial,
cooperação e coordenação numa equipa de robôs. O sistema concreto que foi
desenvolvido é designado como Base de Dados de Tempo Real (RTDB). Os
dados remotos, que são actualizados de forma transparente pelo sistema de
comunicações auto-organizado, são estendidos com a respectiva idade e são
disponibilizados localmente a cada robô através de primitivas de acesso
eficientes. A RTDB facilita a utilização parcimoniosa da rede e bem como a
manutenção de informação temporal rigorosa. A simplicidade da integração da
RTDB para diferentes aplicações permitiu a sua efectiva utilização em
diferentes projectos, nomeadamente no âmbito do RoboCup
