Mecanismo de leilão descentralizado para atribuição de tarefas colaborativas em um sistemas multirrobô

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2020
Autor(a) principal: Nakashima, Renan Taizo
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 Tecnológica Federal do Paraná
Curitiba
Brasil
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial
UTFPR
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: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/5277
Resumo: Multi-Robot Systems are receiving considerable attention during the last years due their efficiency in solving complex problems through task sharing and collaborative assignments. This class of systems have several different applications, ranging from daily to critical and highrisk activities, for example search and rescue of survivors in natural disaster scenarios and site vigilance. The efficiency of such systems relies on the quality of the task allocation among the agents. This works presents the development of a market-inspired solution by applying an auction mechanism to solve the multi-robot task allocation problem. The proposed system considers that each task requires one or more robot’s skills in order to be complete. Since each robot can only have one single skill, the robots must form coalitions to complete tasks that require multiple skills. The system is fully distributed and decentralized. The computation processing required to coordinate an auction is distributed among the robots in turns, in which each robot should perform an auction in its turn. The calculation for the bidding values is performed upon a set of factors that weight the importance of some characteristics of the system, such as task allocation and distance to the auctioned resource. The proposed system is verified through simulations in partially unknown search and rescue scenarios, where each robot is also equipped with sensing, mapping, frontier-based exploration, mission planning, navigation control and deviation mechanisms. The results are split in two parts. The first part isolates the auction mechanism to evaluate its performance by changing the number of robots, collaborative and individual tasks in two distinct scenarios. The second part validates the system as a whole, by integrating the auction mechanism with the remaining mechanisms. The results show that the performance is satisfactory, allowing the robots to cooperate in solving the task allocation problem. It is also indicated that the system performance can be configurable regarding some predefined constants that can be chosen. Lastly, the results also suggest that the proposed auction mechanism is scalable. However, further testing is required to confirm the scalability of the system.
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spelling Mecanismo de leilão descentralizado para atribuição de tarefas colaborativas em um sistemas multirrobôDecentralized auction mechanism for collaborative task assignment in a multirobot systemRobôs - Sistemas de controleRobôs - Sistemas de controleRobôs móveis - Controle automáticoRobôs móveis - Controle automáticoSistemas multiagentesSistemas multiagentesLeilões - Modelos matemáticosLeilões - Modelos matemáticosAlgoritmosAlgoritmosProcessamento eletrônico de dados - Processamento distribuídoProcessamento eletrônico de dados - Processamento distribuídoSistemas de controle inteligenteSistemas de controle inteligenteRobots - Control systemsRobots - Control systemsMobile robots - Automatic controlMobile robots - Automatic controlMulti-agent systemsMulti-agent systemsAuctions - Mathematical modelsAuctions - Mathematical modelsAlgorithmsAlgorithmsElectronic data processing - Distributed processingElectronic data processing - Distributed processingIntelligent control systemsIntelligent control systemsCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::ELETRONICA INDUSTRIAL, SISTEMAS E CONTROLES ELETRONICOS::AUTOMACAO ELETRONICA DE PROCESSOS ELETRICOS E INDUSTRIAISCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::ELETRONICA INDUSTRIAL, SISTEMAS E CONTROLES ELETRONICOS::AUTOMACAO ELETRONICA DE PROCESSOS ELETRICOS E INDUSTRIAISEngenharia ElétricaEngenharia ElétricaMulti-Robot Systems are receiving considerable attention during the last years due their efficiency in solving complex problems through task sharing and collaborative assignments. This class of systems have several different applications, ranging from daily to critical and highrisk activities, for example search and rescue of survivors in natural disaster scenarios and site vigilance. The efficiency of such systems relies on the quality of the task allocation among the agents. This works presents the development of a market-inspired solution by applying an auction mechanism to solve the multi-robot task allocation problem. The proposed system considers that each task requires one or more robot’s skills in order to be complete. Since each robot can only have one single skill, the robots must form coalitions to complete tasks that require multiple skills. The system is fully distributed and decentralized. The computation processing required to coordinate an auction is distributed among the robots in turns, in which each robot should perform an auction in its turn. The calculation for the bidding values is performed upon a set of factors that weight the importance of some characteristics of the system, such as task allocation and distance to the auctioned resource. The proposed system is verified through simulations in partially unknown search and rescue scenarios, where each robot is also equipped with sensing, mapping, frontier-based exploration, mission planning, navigation control and deviation mechanisms. The results are split in two parts. The first part isolates the auction mechanism to evaluate its performance by changing the number of robots, collaborative and individual tasks in two distinct scenarios. The second part validates the system as a whole, by integrating the auction mechanism with the remaining mechanisms. The results show that the performance is satisfactory, allowing the robots to cooperate in solving the task allocation problem. It is also indicated that the system performance can be configurable regarding some predefined constants that can be chosen. Lastly, the results also suggest that the proposed auction mechanism is scalable. However, further testing is required to confirm the scalability of the system.Multi-Robot Systems are receiving considerable attention during the last years due their efficiency in solving complex problems through task sharing and collaborative assignments. This class of systems have several different applications, ranging from daily to critical and highrisk activities, for example search and rescue of survivors in natural disaster scenarios and site vigilance. The efficiency of such systems relies on the quality of the task allocation among the agents. This works presents the development of a market-inspired solution by applying an auction mechanism to solve the multi-robot task allocation problem. The proposed system considers that each task requires one or more robot’s skills in order to be complete. Since each robot can only have one single skill, the robots must form coalitions to complete tasks that require multiple skills. The system is fully distributed and decentralized. The computation processing required to coordinate an auction is distributed among the robots in turns, in which each robot should perform an auction in its turn. The calculation for the bidding values is performed upon a set of factors that weight the importance of some characteristics of the system, such as task allocation and distance to the auctioned resource. The proposed system is verified through simulations in partially unknown search and rescue scenarios, where each robot is also equipped with sensing, mapping, frontier-based exploration, mission planning, navigation control and deviation mechanisms. The results are split in two parts. The first part isolates the auction mechanism to evaluate its performance by changing the number of robots, collaborative and individual tasks in two distinct scenarios. The second part validates the system as a whole, by integrating the auction mechanism with the remaining mechanisms. The results show that the performance is satisfactory, allowing the robots to cooperate in solving the task allocation problem. It is also indicated that the system performance can be configurable regarding some predefined constants that can be chosen. Lastly, the results also suggest that the proposed auction mechanism is scalable. However, further testing is required to confirm the scalability of the system.Os sistemas multirrobôs têm recebido atenção considerável nos últimos anos, devido à sua eficiência para resolver problemas complexos através da divisão de tarefas com atuação colaborativa. Esta classe de sistema robótico encontra aplicações que vão desde atividades cotidianas a atividades críticas e de alto risco, como busca por sobreviventes de desastres naturais ou vigilância e monitoramento de ambientes. A eficiência de tais sistemas depende diretamente da qualidade do compartilhamento e alocação de tarefas entre os agentes que o compõem. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma solução inspirada em paradigmas de mercado, a partir de um mecanismo de leilão, para o problema da alocação de tarefas em um sistema multirrobô. O sistema proposto considera que as tarefas possuem pré-requisitos, podendo exigir dos robôs uma ou mais habilidades, e só podem ser concluídas se todos os pré-requisitos forem atendidos. Cada robô pode possuir somente uma única habilidade, de forma que os robôs devem formar coalizões para concluir tarefas que exigem mais de uma habilidade. O sistema possui a premissa de ser totalmente distribuído e descentralizado. O processamento computacional exigido para coordenar um leilão é distribuído entre os robôs em rodadas, onde cada robô deverá atuar como leiloeiro em seu turno. O cálculo do valor dos lances é realizado em função de um conjunto de fatores, os quais ponderam a importância de parâmetros do sistema, como distribuição de tarefas e distância do recurso leiloado. O sistema foi validado através de simulações computacionais em um cenário de busca e resgate, com ambiente parcialmente desconhecido, onde os robôs foram equipados com mecanismos de sensoreamento, mapeamento, exploração baseada em fronteiras, planejamento de trajetória, controle de navegação e desvio de obstáculos. O primeiro grupo de resultados valida o funcionamento do mecanismo de leilão de forma isolada em dois cenários distintos, variando o número de tarefas individuais, colaborativas e de robôs presentes no ambiente. O segundo grupo de resultados valida o funcionamento do sistema como um todo, de forma integrada. Os resultados demonstram um desempenho satisfatório do mecanismo proposto, permitindo que os robôs atuem colaborativamente na resolução do problema. Ainda, confirmou-se que a performance do sistema é parametrizável em função de constantes pré-definidas. Por fim, as simulações sugerem que o mecanismo de leilão é escalável. No entanto, mais testes são necessários para confirmar, efetivamente, a escalabilidade do sistema.Os sistemas multirrobôs têm recebido atenção considerável nos últimos anos, devido à sua eficiência para resolver problemas complexos através da divisão de tarefas com atuação colaborativa. Esta classe de sistema robótico encontra aplicações que vão desde atividades cotidianas a atividades críticas e de alto risco, como busca por sobreviventes de desastres naturais ou vigilância e monitoramento de ambientes. A eficiência de tais sistemas depende diretamente da qualidade do compartilhamento e alocação de tarefas entre os agentes que o compõem. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma solução inspirada em paradigmas de mercado, a partir de um mecanismo de leilão, para o problema da alocação de tarefas em um sistema multirrobô. O sistema proposto considera que as tarefas possuem pré-requisitos, podendo exigir dos robôs uma ou mais habilidades, e só podem ser concluídas se todos os pré-requisitos forem atendidos. Cada robô pode possuir somente uma única habilidade, de forma que os robôs devem formar coalizões para concluir tarefas que exigem mais de uma habilidade. O sistema possui a premissa de ser totalmente distribuído e descentralizado. O processamento computacional exigido para coordenar um leilão é distribuído entre os robôs em rodadas, onde cada robô deverá atuar como leiloeiro em seu turno. O cálculo do valor dos lances é realizado em função de um conjunto de fatores, os quais ponderam a importância de parâmetros do sistema, como distribuição de tarefas e distância do recurso leiloado. O sistema foi validado através de simulações computacionais em um cenário de busca e resgate, com ambiente parcialmente desconhecido, onde os robôs foram equipados com mecanismos de sensoreamento, mapeamento, exploração baseada em fronteiras, planejamento de trajetória, controle de navegação e desvio de obstáculos. O primeiro grupo de resultados valida o funcionamento do mecanismo de leilão de forma isolada em dois cenários distintos, variando o número de tarefas individuais, colaborativas e de robôs presentes no ambiente. O segundo grupo de resultados valida o funcionamento do sistema como um todo, de forma integrada. Os resultados demonstram um desempenho satisfatório do mecanismo proposto, permitindo que os robôs atuem colaborativamente na resolução do problema. Ainda, confirmou-se que a performance do sistema é parametrizável em função de constantes pré-definidas. Por fim, as simulações sugerem que o mecanismo de leilão é escalável. No entanto, mais testes são necessários para confirmar, efetivamente, a escalabilidade do sistema.Universidade Tecnológica Federal do ParanáCuritibaBrasilPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática IndustrialUTFPRArruda, Lucia Valeria Ramos dehttps://orcid.org/0000-0002-5704-8131http://lattes.cnpq.br/8616017152145795Tacla, Cesar Augustohttps://orcid.org/0000-0002-8244-8970http://lattes.cnpq.br/2860342167270413Almeida, Joao Paulo Lima Silva dehttp://lattes.cnpq.br/1457950789991352Arruda, Lucia Valeria Ramos dehttps://orcid.org/0000-0002-5704-8131http://lattes.cnpq.br/8616017152145795Nakashima, Renan Taizo2020-10-22T22:27:45Z2020-10-22T22:27:45Z2020-09-22info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfNAKASHIMA, Renan Taizo. Mecanismo de leilão descentralizado para atribuição de tarefas colaborativas em um sistemas multirrobô. 2020. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2020.NAKASHIMA, Renan Taizo. Mecanismo de leilão descentralizado para atribuição de tarefas colaborativas em um sistemas multirrobô. 2020. 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Engenharia Elétrica
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