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Título: Método bioinspirado para exploração e mapeamento de ambientes internos com múltiplos VANT
Título(s) alternativo(s): Bioinspired exploration and mapping indoor environments method with multiple UAVS
Autor(es): Rosa, Ricardo da
Orientador(es): Wehrmeister, Marco Aurélio
Palavras-chave: Drone
Espaços topológicos lineares
Mapeamentos (Matemática) - Simulação por computador
Métodos de simulação
Drone aircraft
Linear topological spaces
Mappings (Mathematics) - Computer simulation
Simulation methods
Data do documento: 30-Abr-2020
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: ROSA, Ricardo da. Método bioinspirado para exploração e mapeamento de ambientes internos com múltiplos VANT. 2020. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2020.
Resumo: O uso de veículos aéreos não tripulados autônomos surge como uma opção de apoio em diversas atividades realizadas pelo ser humano, especialmente naquelas em que o processo de execução pode ser perigoso. A busca de vítimas feita por equipes de resgate em ambientes atingidos por catástrofes, tais como terremotos e furacões, é um exemplo disso, uma vez que, geralmente, não há conhecimento prévio do estado do espaço físico. A exploração e o mapeamento de ambientes com múltiplos Veículos Aéreos Não Tripulados (VANT) pode auxiliar equipes na identificação das condições do local em um ambiente interno. A construção de mapas a partir de vários VANT autônomos exige um método de exploração do ambiente que pode fornecer resultados plausíveis do mapeamento e apresentar visibilidade para equipes de resgate em um período de tempo adequado. O método de exploração e mapeamento proposto faz a utilização de uma estrutura topológica para a representação do mapa, inspirado na estrutura hexagonal que as colmeias de abelhas possuem. Os VANT possuem um comportamento semelhante ao das abelhas no processo de construção dos favos da colmeia para as atividades de mapeamento de novos espaços. Nesse sentido, foram desenvolvidas três estratégias diferentes para a alocação de hexágonos a serem explorados: First In First Out, Distância Euclidiana e Distância Euclidiana Relativa. A estratégia de Distância Euclidiana Relativa (DER) apresentou resultados mais satisfatórios em intensidade do tráfego dos robôs aéreos e tempo total de exploração e mapeamento do ambiente. Experimentos foram realizados, fazendo uso de ambientes de simulação para validação do método proposto, variando o número de cenários e as estratégias adotadas. A redução dos deslocamentos dos VANT influencia diretamente no tempo de execução da exploração. O mapeamento topológico bioinspirado proposto nesta tese apresenta-se como uma opção viável para times de robôs aéreos na atividade de exploração e mapeamento de ambientes internos desconhecidos.
Abstract: The use of autonomous unmanned aerial vehicles appears as an option to support various activities carried out by the human being, specially when the execution of these activities can be dangerous. An example of this is the search and rescue of victims in environments affected by catastrophes such as earthquakes or hurricanes, once there is no prior knowledge of the state of space. The exploration and mapping of the environment with multiple Unmanned Aerial Vehicles (UAV) can assist these teams in identifying the conditions of the place. The construction of maps from data provided by several autonomous UAVs requires a method for exploring the environment só that plausible results of the mapping are visible to the rescue staff within an acceptable period of time. The proposed exploration and mapping method uses a topological structure for the map representation inspired by the hexagonal structure that the bee hives present. Therefor each UAV has a behavior, in the mapping activities of new spaces, similar to that of bees in the beehive construction process. Three strategies for the allocation of hexagons to be explored were developed: First In First Out, Euclidean Distance and Relative Euclidean Distance. The Relative Euclidean Distance (DER) strategy showed satisfactory results in traffic intensity of UAVs leading to lesser total time for the exploration and the mapping of the environment. Experiments were carried out using simulation environments to validate the proposed method, varying the number of scenarios and the strategies adopted. The reduction of UAV displacements directly influences the exploration execution time. The bioinspired topological mapping proposed in this thesis presents itself as a viable option for teams of aerial robots in the activity of exploration and mapping of unknown internal environments.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/5024
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