Engineering multi-robot mission coordination in the service robot domain

Abstract

Os robôs transformaram indústrias como a manufatura automotiva ao assumirem tarefas tediosas, repetitivas e perigosas dentro de ambientes fabris. Tradicionalmente, esses robôs são grandes máquinas operando em ambientes altamente controlados. No entanto, nos últimos anos, houve um crescimento significativo no desenvolvimento de robôs móveis projetados para atuar em espaços compartilhados com humanos, incluindo hospitais, hotéis e restaurantes. Conhecidos como robôs de serviço, esses sistemas são capazes de navegar em ambientes centrados em humanos e realizar tarefas como manipulação de objetos e inspeção do ambiente usando câmeras e sensores. Para explorar plenamente o potencial dos robôs de serviço em contextos sociais, é essencial estabelecer mecanismos eficazes de coordenação. No entanto, orquestrar múltiplos robôs em espaços compartilhados com humanos apresenta desafios substanciais de engenharia devido à natureza aberta desses ambientes e às incertezas inerentes que introduzem. Além disso, embora a garantia de qualidade seja crucial para esses sistemas, a simulação de sua lógica de coordenação é particularmente complexa devido à forte dependência de fatores ambientais. Esta tese avança o estado da arte na engenharia de sistemas multi-robô autônomos (MRS) no domínio dos robôs de serviço, com foco especial em arquitetura e simulação. Ela propõe soluções arquiteturais inovadoras para gerenciar a complexidade e a incerteza presentes em ambientes dinâmicos. Para isso, esta pesquisa introduz uma nova arquitetura, chamada MissionControl, projetada para facilitar o desenvolvimento e a coordenação de missões MRS. O MissionControl reduz a complexidade do sistema ao definir um modelo de componentes que estrutura o sistema em componentes encapsulados e reutilizáveis, com responsabilidades bem definidas. Além disso, ele integra modelos de componentes e de tempo de execução com processos de coordenação, priorizando modificabilidade, integrabilidade e autonomia. Uma implementação prototípica do MissionControl foi desenvolvida para comunicação entre robôs e ROS para execução de tarefas. A arquitetura foi avaliada por meio de experimentos controlados no simulador MORSE e inspeções sistemáticas baseadas em diretrizes de análise de arquitetura de software. Os resultados experimentais indicam uma melhoria nas taxas de sucesso das missões e uma redução nas falhas causadas por esgotamento de recursos, mesmo sob condições de incerteza. Por fim, esta tese contribui com um design de simulação leve chamado HMR Sim, projetado para avaliar a lógica de coordenação. O framework de simulação proposto é eficiente em termos de recursos e suporta a execução de testes por meio de uma linguagem específica de domínio (DSL), permitindo a validação sistemática dos comportamentos dos sistemas multi-robô.