Distributed approaches to multi-robot curve tracking with collision avoidance

Abstract

Este trabalho trata o problema de convergência e circulação de curvas fechadas por sistemas multi-robôs a partir de estratégias baseadas em campos vetoriais. O problema é tratado sob dois olhares. Na primeira parte, considera-se o problema no qual uma curva definida no espaço tridimensional, variante no tempo, deve ser circunavegada por um conjunto de veículos aéreos não tripulados do tipo quadrotor. Para isso, é proposto um sistema em cascata, em que uma etapa de controle distribuído, em alto nível, garante a convergência e a circulação da curva através de uma lei baseada em campos vetoriais. O mesmo controlador garante o evitamento de colisão entre os robôs baseando-se em leis de prioridade que levam em conta as posições dos robôs vizinhos e que permitem modular o campo vetorial de forma a evitar colisões. Os sinais de controle de alto nível geram uma trajetória a ser seguida pelo veículo quadrotor, que é comandado por um controlador de baixo nível. O projeto do controlador de baixo nível é baseado na técnica de controle não-linear backstepping, que é incrementada com a ação integral e com uma lei de controle adicional, baseada na técnica Lyapunov redesign, em que a última torna o sistema robusto a distúrbios limitados. Na segunda parte deste trabalho, o problema de convergência e circulação de curvas é endereçado sob outro olhar. Considerando curvas definidas no espaço 2-D, têm-se por objetivo projetar uma estratégia de controle preditivo distribuído em que as leis de controle baseadas em campos vetoriais são embutidas no problema de otimização. Assim, em vez de encontrar uma sequência de controle, o problema encontra os parâmetros da lei de controle de cada robô. A partir disso, o problema de controle ótimo é projetado de forma a garantir a convergência e circulação da curva alvo e o evitamento de colisões entre robôs. Depois, o mesmo problema é distribuído pelo método das direções alternadas de multiplicadores, o que permite a negociação de trajetórias entre robôs vizinhos. A eficácia das estratégias de controle propostas neste trabalho são avaliadas com resultados de simulação.