SUPERVISOR
Mehdi Keshmiri,Hassan Moosavi,Mohammad Danesh
مهدی کشمیری (استاد مشاور) حسن موسوی (استاد راهنما) محمد دانش (استاد راهنما)
STUDENT
Reza Rezaei
رضا رضائی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Motion Control and Coordination of Multiple Mobile Robots to Track a Moving Target in a Dynamic Environment
In recent years, the diversity and applications of robots are considerably growing and the development of technology provides new facilities to employ the robots more and better. Single-robot systems are not the best way in all applications of robots. Growing range of issues and problems that will exist in the future will bring potential benefits of multi-robot systems. For instance, search and rescue problem, mapping of hazardous and hostile environments, target searching and tracking, space and submarine explorations are the missions that the multi-robot systems will be utilized to execute them. However utilizing a group of robots to implement the tasks needs a mechanism to coordinate the motions and behaviors of robots so that they can perform effectively the tasks while interacting and cooperating with other robots. Therefore, this research concerns to designing a coordination mechanism to improve the efficiency and performance of multi-robot systems. In this thesis, the problems of coordination and motion design in multi-robot systems are discussed by using artificial potential field method. The mission of system is target tracking in a dynamic environment while avoiding any collision with other agents. Thus, we encounter three major problems to design the motion of robots: 1- target tracking, 2- collision avoidance and 3-the problem collision between robots. The problem of tracking a moving target has received a great deal of attention within the wide existing literature on mobile robots. The objective is to achieve tracking of a moving target by a group of mobile robots. To design the coordination and motion planning of robots, a total potential field composed of the target’s, robots’ and obstacles’ potential fields is formed so that it navigates the robots toward the target and provides a trajectory without any obstacle. Verification and simulation results validate the effectiveness of the designed multi-robot system. The target tracking problem is to estimate the state of a target1 based on inaccurate measurements from sensors. The estimation process contains many uncertainties; for example, the measurements are corrupted by noise, the origins of the measurements are unauthenticated, the motion of the target is unknown, etc. The target tracking problem has been studied in diverse research areas with many applications in mind. The motion tracking and estimation of moving objects in the vicinity of a mobile robot is also a fundamental capability for safe navigation. Populated environments are challenging to contemporary mobile robots. One of the main reasons is the presence of dynamic objects, whose motions are diverse (eg. due to pedestrians, bicycles, automobiles, etc). Since some objects move faster than the robot, motion detection and estimation for potential collision avoidance are the most fundamental skills that a robot needs to function effectively in dynamic environments. Needless to say, target tracking is a key enabler for robust motion estimation. The artificial potential field has some limitations. In this thesis, the problem of local minimum point is discussed and a novel approach for this problem is presented. The effectiveness of this approach is verified by simulation. Finally the thesis is concluded and some research problems are suggested. Keywords Coordination, Multi-robot system, Motion planning, Potential field method, Mobile robots
امروزه، تنوع و زمینه ی کاربرد ربات ها با سرعت زیادی در حال افزایش است و پیشرفت فناوری، امکانات جدیدی در به کارگیری هر چه بیشتر و بهتر ربات ها را فراهم می کند. سیستم های تک رباتی در همه ی کاربردها بهترین راه حل نیست. طیف روزافزونی از مسائل موجود و مسائلی که در آینده مطرح خواهند شد از مزایای بالقوه ی سیستم های چند رباتی بهره مند خواهند شد. به عنوان مثال، مسأله ی جستجو و نجات، نقشه برداری از محیط های خطرناک و مناطق دوردست، شناسایی و تعقیب اهداف، و تحقیقات و اکتشافات فضایی و زیردریایی، از جمله وظایفی هستند که از سیستم های چند رباتی برای اجرای آنها استفاده خواهد شد. اما به کارگیری یک گروه از ربات ها جهت انجام وظایفی، نیاز به طراحی مکانیزمی به منظور ایجاد هماهنگی بین رفتار و حرکت آنها دارد. در واقع یکی از موضوعات و چالش های مطرح در سیستم های چند رباتی، بحث کنترل و اجرای هماهنگی می باشد، به گونه ای که ربات ها بتوانند ضمن ارتباط متقابل و همکاری لازم با سایر ربات ها، وظایف خود را به نحوی مؤثر به انجام برسانند. از این رو، این تحقیق در راستای طراحی یک مکانیزم هماهنگی جهت بهبود عملکرد و کارایی سیستم های چند رباتی حرکت خواهد کرد. در این پایان نامه، مسأله ی طراحی حرکت و هماهنگی سیستم های چند رباتی به روش میدان پتانسیل مصنوعی مطالعه و بررسی می گردد. مأموریت سیستم آن است که یک هدف متحرک را در یک محیط دینامیکی ضمن عبور از عوامل موجود در محیط تعقیب نماید. بنابراین، در طراحی حرکت ربات ها با بررسی سه مسأله ی اصلی مواجه خواهیم بود: 1) مسأله ی تعقیب جسم هدف توسط ربات ها؛ 2) مسأله ی احتمال برخورد ربات ها با موانع موجود در محیط؛ و 3) مسأله ی برخورد بین ربات ها. به منظور طراحی حرکت و هماهنگی ربات ها یک میدان پتانسیل کل متشکل از میدان های پتانسیل هدف، ربات ها و موانع تعریف کرده به گونه ای که با اعمال نیرو به هر کدام از ربات ها، آنها را به سمت هدف هدایت نموده، و مسیری عاری از مانع را برای آنها فراهم نماید. نتایج ارزیابی و شبیه سازی، کارایی سیستم چند رباتی طراحی شده را به خوبی نشان می دهند. روش میدان پتانسیل در کنار مزیت های منحصر به فردی که دارد در برخی از شرایط ممکن است مشکلاتی هم داشته باشد. از این رو، در بخش دیگری از کار تحقیق، مشکل نقاط مینیمم موضعی روش میدان پتانسیل توضیح داده شده و روشی جدید برای حل آن پیشنهاد می شود. در ادامه، مسأله ی نزدیک بودن هدف به مانع- که یکی دیگر از مشکلات روش میدان پتانسیل مصنوعی می باشد- مورد بررسی قرار گرفته و راه حل آن توضیح داده می شود. نتایج شبیه سازی های انجام شده، عملکرد و اثربخشی این روش ها را تأیید می کنند. در پایان، ضمن نتیجه گیری، برای علاقه مندان به موضوع سیستم های چند رباتی چند مسأله ی تحقیقاتی پیشنهاد داده می شود. کلمات کلیدی: سیستم های چند رباتی، هماهنگی، طراحی حرکت، ربات های متحرک، روش میدان پتانسیل مصنوعی