Synthesis of formation control for an aquatic swarm robotics system

Abstract

Formations are the spatial organization of objects or entities according to some predefined pattern. They can be found in nature, in social animals such as fish schools, and insect colonies, where the spontaneous organization into emergent structures takes place. Formations have a multitude of applications such as in military and law enforcement scenarios, where they are used to increase operational performance. The concept is even present in collective sports modalities such as football, which use formations as a strategy to increase teams efficiency. Swarm robotics is an approach for the study of multi-robot systems composed of a large number of simple units, inspired in self-organization in animal societies. These have the potential to conduct tasks too demanding for a single robot operating alone. When applied to the coordination of such type of systems, formations allow for a coordinated motion and enable SRS to increase their sensing efficiency as a whole. In this dissertation, we present a virtual structure formation control synthesis for a multi-robot system. Control is synthesized through the use of evolutionary robotics, from where the desired collective behavior emerges, while displaying key-features such as fault tolerance and robustness. Initial experiments on formation control synthesis were conducted in simulation environment. We later developed an inexpensive aquatic robotic platform in order to conduct experiments in real world conditions. Our results demonstrated that it is possible to synthesize formation control for a multi-robot system making use of evolutionary robotics. The developed robotic platform was used in several scientific studies.

As formações consistem na organização de objetos ou entidades de acordo com um padrão pré-definido. Elas podem ser encontradas na natureza, em animais sociais tais como peixes ou colónias de insetos, onde a organização espontânea em estruturas se verifica. As formações aplicam-se em diversos contextos, tais como cenários militares ou de aplicação da lei, onde são utilizadas para aumentar a performance operacional. O conceito está também presente em desportos coletivos tais como o futebol, onde as formações são utilizadas como estratégia para aumentar a eficiência das equipas. Os enxames de robots são uma abordagem para o estudo de sistemas multi-robô compostos de um grande número de unidades simples, inspirado na organização de sociedades animais. Estes têm um elevado potencial na resolução de tarefas demasiado complexas para um único robot. Quando aplicadas na coordenação deste tipo de sistemas, as formações permitem o movimento coordenado e o aumento da sensibilidade do enxame como um todo. Nesta dissertação apresentamos a síntese de controlo de formação para um sistema multi-robô. O controlo é sintetizado através do uso de robótica evolucionária, de onde o comportamento coletivo emerge, demonstrando ainda funcionalidadeschave tais como tolerância a falhas e robustez. As experiências iniciais na síntese de controlo foram realizadas em simulação. Mais tarde foi desenvolvida uma plataforma robótica para a condução de experiências no mundo real. Os nossos resultados demonstram que é possível sintetizar controlo de formação para um sistema multi-robô, utilizando técnicas de robótica evolucionária. A plataforma desenvolvida foi ainda utilizada em diversos estudos científicos.