Controle inteligente de um robô móvel utilizando modos deslizantes, redes neurais artificiais e aprendizagem por reforço

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2021
Autor(a) principal: Baumann, Gabriel de Albuquerque Barbosa
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Brasil
UFRN
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/48351
Resumo: Research on intelligent and autonomous mobile robots has grown significantly due to its military, civil and industrial applications, such as the monitoring of agricultural plantations, the use in actions to support environmental disasters, border patrol, mapping of submarine territories or even the study of animal behavior. This work rescues the multi and interdisciplinary motivation of artificial intelligence, starting from philosophical questions to reach the characterization of intelligent and autonomous systems. Thus, only after building the theoretical bases for the concept of these agents, a bioinspired approach is presented for the trajectory tracking task by a omnidirectional mobile robot, the Robotino® produced by Festo® . For this purpose, the strategy consists of robust non-linear intelligent control using Sliding Modes, artificial neural networks and the Upper Confidence Bound algorithm. Each of these fundamentals techniques are presented, in order to justify, in advance, their consistent use with the theoretical proposal, to be later incorporated into the controller. Thus, Sliding Modes and their limitations regarding residual error are presented; artificial neural networks are then applied with the purpose of reducing them, however, they also have their restrictions; the Upper Confidence Bound is therefore added in order to mitigate them. The characteristics of each technique give the robot robustness in the control task, learning and autonomy with decision-making, respectively, as explained from the numerical and experimental results. The designed algorithm not only achieved the purposes, but also brought other positive points, such as avoiding the neural networks divergence resulting from the continuous updating of their weights. The approach developed based on the most recent arguments about autonomous agents obtained excellent results in both simulations and in experiments for the Robotino® trajectory tracking problem and represents the growing trend of research in embodied cognitive science.
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For this purpose, the strategy consists of robust non-linear intelligent control using Sliding Modes, artificial neural networks and the Upper Confidence Bound algorithm. Each of these fundamentals techniques are presented, in order to justify, in advance, their consistent use with the theoretical proposal, to be later incorporated into the controller. Thus, Sliding Modes and their limitations regarding residual error are presented; artificial neural networks are then applied with the purpose of reducing them, however, they also have their restrictions; the Upper Confidence Bound is therefore added in order to mitigate them. The characteristics of each technique give the robot robustness in the control task, learning and autonomy with decision-making, respectively, as explained from the numerical and experimental results. The designed algorithm not only achieved the purposes, but also brought other positive points, such as avoiding the neural networks divergence resulting from the continuous updating of their weights. The approach developed based on the most recent arguments about autonomous agents obtained excellent results in both simulations and in experiments for the Robotino® trajectory tracking problem and represents the growing trend of research in embodied cognitive science.A pesquisa em robôs móveis inteligentes e autônomos tem crescido significativamente devido a suas aplicações militares, civis e industriais, como o monitoramento de plantações agrícolas, o uso em ações de apoio a desastres ambientais, a patrulha de fronteiras, o mapeamento de territórios submarinos ou até mesmo o estudo do comportamento animal. Este trabalho resgata a motivação multi e interdisciplinar da inteligência artificial, partindo de questionamentos filosóficos para chegar à caracterização de sistemas inteligentes e autônomos. Dessa maneira, somente depois de construídas as bases teóricas para a concepção desses agentes, é apresentada uma abordagem bioinspirada para a realização da tarefa de rastreamento de trajetória por um robô móvel omnidirecional, o Robotino® produzido pela Festo® . Com essa finalidade, a estratégia consiste no controle inteligente não linear robusto utilizando Modos Deslizantes, redes neurais artificiais e o algoritmo de aprendizagem por reforço Limite de Confiança Superior. Os fundamentos de cada uma dessas técnicas são apresentados, a fim de justificar, antecipadamente, sua utilização coerente com a proposta teórica, para depois serem incorporadas ao controlador. Assim, apresentam-se Modos Deslizantes e suas limitações acerca de erro residual; as redes neurais artificiais então são aplicadas com o propósito de reduzi-las, porém, também possuem suas restrições; o Limite de Confiança Superior é, portanto, acrescentado com o objetivo de mitigá-las. As características de cada uma das técnicas conferem ao robô robustez na atividade de controle, aprendizagem e autonomia com tomada de decisão, respectivamente, como é explicado a partir dos resultados numéricos e experimentais. O algoritmo elaborado não só alcançou as finalidades propostas, mas também trouxe outros pontos positivos, como evitar a divergência das redes neurais decorrente da atualização contínua de seus pesos. A abordagem desenvolvida com base nos argumentos mais recentes acerca de agentes autônomos obteve ótimos resultados em simulações e em experimentos para o problema de rastreamento de trajetória do Robotino® e representa a tendência crescente de pesquisas na ciência cognitiva corporficada.Universidade Federal do Rio Grande do NorteBrasilUFRNPROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICABessa, Wallace Moreirahttp://lattes.cnpq.br/9013391108821022https://orcid.org/0000-0002-0935-7730http://lattes.cnpq.br/3256782908311485Sousa, Fábio José Pinheirohttps://orcid.org/0000-0002-8381-8806http://lattes.cnpq.br/9909217959915292Santana Júnior, Orivaldo Vieira dehttp://lattes.cnpq.br/5050555219716698Cota, Vinicius RosaBaumann, Gabriel de Albuquerque Barbosa2022-07-05T23:24:56Z2022-07-05T23:24:56Z2021-12-20info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfBAUMANN, Gabriel de Albuquerque Barbosa. Controle inteligente de um robô móvel utilizando modos deslizantes, redes neurais artificiais e aprendizagem por reforço. 2021. 58f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2021.https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/48351info:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da UFRNinstname:Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)instacron:UFRN2022-07-05T23:25:56Zoai:repositorio.ufrn.br:123456789/48351Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.ufrn.br/oai/repositorio@bczm.ufrn.bropendoar:2022-07-05T23:25:56Repositório Institucional da UFRN - Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)false
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