Estratégia de navegação com multi-robôs em ambientes confinados visando melhoria da cobertura de sinal de rádio

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Universidade Federal de Minas Gerais

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Dissertação de mestrado

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Gustavo Pessin
Rogério Rodrigues Lima

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A comunicação eficiente entre robôs móveis é um fator crítico para a realização de tarefas de inspeção em ambientes confinados, como galerias subterrâneas, dutos e minas. Neste contexto, a propagação do sinal de rádio enfrenta desafios significativos devido à presença de obstáculos, atenuação do sinal e efeitos multipercurso. Esta dissertação propõe uma estratégia de navegação para múltiplos robôs que melhora a cobertura do sinal de rádio, garantindo comunicação estável e contínua durante operações de teleoperação e inspeção. A abordagem é baseada no posicionamento dinâmico de robôs repetidores, levando em consideração a geometria do ambiente e modelos de propagação do sinal. Diferentes modelos de propagação de sinal foram analisados, incluindo o modelo TwoRay, LogNormal e LogNormal Shadowing, permitindo a estimativa da perda de potência do sinal sob diversas condições. Para cada modelo de propagação é realizada uma análise estatística que divide o ambiente inspecionado em diferentes regiões de interesse e retorna qual o melhor modelo para cada região, isolando características locais da propagação. A principal contribuição dessa dissertação é o desenvolvimento de um algoritmo de navegação multi-robô que otimiza a comunicação em ambientes confinados, possibilitando a ampliação do uso de robôs móveis em tarefas críticas. Para a implementação da abordagem, foram coletados dados de potência do sinal de rádio fornecidos pela interface do rádio Ubiquiti M900. Além disso, dois robôs foram controlados: o EspeleoRobô, que funciona como cliente da rede, e o Pioneer 3-DX, que opera como repetidor de sinal. Para validar a estratégia proposta, foram realizados experimentos em cenários controlados e simulações no ambiente CoppeliaSim. Os resultados demonstram que a implementação dos robôs repetidores melhora a cobertura do sinal em mais de 50% e reduz significativamente os pontos de perda de comunicação, possibilitando operações mais seguras e eficientes.

Abstract

Efficient communication between mobile robots is a critical factor for performing inspection tasks in confined environments, such as underground galleries, ducts, and mines. In this context, radio signal propagation faces significant challenges due to the presence of obstacles, signal attenuation, and multipath effects. This dissertation proposes a navigation strategy for multiple robots that improves radio signal coverage, ensuring stable and continuous communication during teleoperation and inspection operations. The approach is based on the dynamic positioning of relay robots, considering the environment’s geometry and signal propagation models. Different signal propagation models were analyzed, including the TwoRay, LogNormal, and LogNormal Shadowing models, allowing for the estimation of signal power loss under various conditions. For each propagation model, a statistical analysis was conducted that divides the inspected environment into different regions of interest and determines the best model for each region, isolating local propagation characteristics. The main contribution of this dissertation is the development of a multi-robot navigation algorithm that optimizes communication in confined environments, enabling the expanded use of mobile robots in critical tasks. For the implementation of the approach, signal power data were collected from the Ubiquiti M900 radio interface. In addition, two robots were controlled: the EspeleoRobô, which functions as the network client, and the Pioneer 3-DX, which operates as a signal repeater. To validate the proposed strategy, experiments were carried out in controlled scenarios and simulations in the CoppeliaSim environment. The results show that the implementation of relay robots improves signal coverage by more than 50% and significantly reduces communication loss points, enabling safer and more efficient operations.

Assunto

Engenharia elétrica, Robôs móveis, Robótica, Navegação de robôs móveis, Automação

Palavras-chave

Navegação multi-robô, Robôs móveis, Cobertura de sinal de rádio indoor, Ambientes confinados

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