Bio-inspired distributed model for planning path and navigation robot teams

Cellular automata (AC) are bioinspired approaches that have recently been investigated for various applications, including robotics. An improved model based on CA rules and local decision flow is proposed and evaluated for distributed and decentralized navigation of teams of autonomous robots. The proposed model was called BioTeam: a bio-inspired distributed system for path planning and navigation of robot teams. In the first stage, the path planning is carried out by each robot independently. The goal is for each robot on the team to be able to build a short, collision-free path from its current position to its goal, trying to avoid unnecessary detours as much as possible. During displacement along the defined path, the decentralized control system present in each robot must be able to avoid any situation of possible collision and, above all, to overcome possible trajectory conflicts involving other robots, without jeopardizing its own efficiency and that of the other team members. Thus, each robot achieves its goal independently, without communication with other robots. Experiments were carried out to confirm the efficiency of the new techniques employed. Simulations using the Webots platform showed promising results in the navigation of teams with 10 to 50 robots. These results confirm that the Bioteam model is capable of planning smooth and short routes and in navigation the robots can overcome different conflict situations independently and decentrally in large and complex environments, with several robots moving at the same time.Dissertação (Mestrado)Os autômatos celulares (AC) são abordagens bioinspiradas que foram recentemente investigadas para várias aplicações, incluindo a robótica. Um modelo aprimorado baseado em regras de AC e fluxo de decisões locais é proposto e avaliado para a navegação distribuída e descentralizada de times de robôs autônomos. O modelo proposto foi denominado BioTeam: modelo distribuído bio-inspirado para planejamento de caminho e navegação de times de robôs. Na primeira etapa, o planejamento de caminho é realizado por cada robô de forma independente. O objetivo é que cada robô do time consiga construir um caminho curto e livre de colisão da sua posição atual até sua meta, tentando evitar desvios desnecessários tanto quanto possível. Durante o deslocamento pelo caminho definido, o sistema de controle descentralizado presente em cada robô deve ser capaz de evitar qualquer situação de possível colisão e principalmente superar possíveis conflitos de trajetórias envolvendo outros robôs, sem prejudicar a sua própria eficiência e a dos outros membros do time. Assim, cada robô atinge seu objetivo de forma independente, sem comunicação com outros robôs. Experimentos foram realizados para confirmar a eficiência das novas técnicas empregadas. Simulações utilizando a plataforma Webots apresentaram resultados promissores na navegação de times com 10 a 50 robôs. Esses resultados confirmam que o modelo Bioteam é capaz de planejar rotas suaves e curtas e na navegação os robôs conseguem superar diferentes situações de conflitos de forma independente e descentralizada em ambientes grandes e complexos, com vários robôs se movimentando ao mesmo tempo