Evolutionary-based path planning for kinematically constrained mobile robots: a framework using Non-Uniform Rational B-Spline curves

Abstract

Esta tese propõe um arcabouço de planejamento de caminho baseado em algoritmos evolucionários para robôs autônomos sujeitos a restrições cinemáticas, utilizando curvas paramétricas do tipo B-spline Racional Não-Uniforme, como uma representação de caminho unificada e flexível. A abordagem visa gerar caminhos suaves, factíveis e curtos em ambientes complexos, garantindo o cumprimento das restrições cinemáticas inerentes aos robôs móveis. O planejador proposto emprega um algoritmo baseado em Evolução Diferencial (Differential Evolution) para guiar de forma eficiente a busca por soluções factíveis. Essa formulação permite tanto planejamento \textit{offline} quanto replanejamento online em ambientes estáticos ou dinâmicos. Além disso, uma estratégia de coevolução cooperativa é proposta para estender o arcabouço a cenários com múltiplos robôs, possibilitando o planejamento de corredores aéreos (air corridors) e a solução do problema de planejamento de caminho para múltiplos agentes. O método também foi adaptado para tarefas reais de inspeção com drones comerciais, integrando diretamente no processo de otimização requisitos fotogramétricos, tais como a distância amostral do solo e a sobreposição entre imagens. O arcabouço foi validado por meio de várias simulações e experimentos reais envolvendo robôs aéreos e terrestres. A avaliação experimental incluiu robôs diferenciais, pequenos quadricópteros e um drone comercial para a inspeção estrutural sobre uma barragem. De modo geral, esses resultados confirmam a versatilidade e a capacidade de generalização do arcabouço para diferentes plataformas robóticas e domínios de aplicação.