Control and simulation of swarm mobile robots

Abstract

Bu tez kolektif hareket algoritmasını kullanarak hareket eden robotların kontrolünü ve hareket halindeki robotların simülasyonunu gösterir. Robotların yönlenme açısı robotların kolektif hareketi süresince bir kullanıcı tarafından uzaktan kontrol edilir. Yönlenme açısının uzaktan kontrolcüden robotlara gönderilmesi XBee modülleri kullanılarak sağlanmıştır. Kolektif hareketin algoritması bireysel tabanlı model kullanılarak geliştirilmiştir. Kontrol sırasında iki mod dikkate alınmıştır. Bunlar arama ve sürü modlarıdır. Kolektif hareket birbirleri arasındaki ikili etkileşimlere göre hareket eden robotlar tarafından gerçekleştirilmiştir. Robotlar arasındaki bu ikili ilişkiler çekim, paralel yönlenme ve itme alanı kuralları olarak adlandırılan üç kural üzerine tasarlanmıştır. Robotlar çekim alanında komşu robotlara doğru hareket ederlerken, paralel yönlenme alanında ise birbirlerine yakın kalmaya çalışırlar. İtme alanı kuralı kolektif hareket sırasında robotların birbirleriyle çarpışmasını önler.Sürü robotiğinde kullanılabilecek ticari mobil robotlar çok pahalı olduğundan dolayı, robotlar laboratuvarda üretilmiştir. Robotların mekanik parçaları SolidWorks programında tasarlamış ve üç boyutlu yazıcı teknolojisi kullanılarak üretilmiştir. Arduino Mega 2560 programlanabilir kart robotların kontrol birimi olarak kullanılmıştır. Arduino Shield devresi olarak adlandırılan bir elektronik devre kartı Proteus 8 Professional programında tasarlanmıştır. Daha sonra kullanılan elektronik elemanları Arduino Mega 2560 üzerindeki ilgili bacaklara kolayca ve kısa devre oluşmayacak güvenli bir şekilde bağlamak için üretilmiştir. Simülasyon gerçek zamanlı simülasyon olarak çalışmaktadır. Simülasyon robotların hareketini simüle etmek için robotlardan alınan verileri kullanır. Simülasyon aynı zamanda robotlardan alınan verileri bir Excel dosyasına kaydeder. Bu kayıt edilen verilen kullanılarak sürü robotların hareketinin karakterizasyonunu incelemek için iki farklı parametre olan kutuplaşma ve yayılma değerleri hesaplanmıştır.Son olarak kolektif hareket iki, üç, dört ve beş robottan oluşan gruplar için test edilmiştir. Bu testler için kutuplaşma ve yayılma verileri gösterilmiştir.

This thesis presents both control of mobile robots that can move by using collective motion algorithm and simulation of the robots during the motion. The orientation of the robots was controlled remotely by one user during the collective motion. The transmission of orientation data from the remote controller to the robots was done by using XBee modules. The control algorithm of collective motion was developed by using individual-based model. Two modes are considered during the control. These modes are search and swarm mode. The collective motion was performed by robots that are moving with respect to some pair-wise interactions. The pair-wise interactions between the robots were proposed based on three rules namely attraction, parallel orientation and repulsion fields rules. While the mobile robots try to move toward their neighbors in attraction field, they try to remain close to their neighbors in parallel orientation field. The repulsion field rule avoids the collision with each other during the collective motion.Since the commercial mobile robots which can be used in swarm robotics are very expensive, the robots used in this study were manufactured in the Prototyping Laboratory, in Izmir Katip Çelebi University. The mechanical parts of mobile robots were designed using SolidWorks and manufactured by using 3D printer technology. Arduino Mega 2560 programmable board was used as control unit of the robots. One electronic circuit, named Arduino Shield Circuit was designed using Proteus 8 Professional. It was produced in order to connect the used electronic components to related pins on Arduino Mega 2560 easily and in a secure way avoiding short circuits. The simulation code works as a real-time simulation. The code uses the data received from the robots to simulate the motion of the robots. The simulation also saves the all the received data from the robots to one Excel file. Two parameters, polarization and expanse were calculated in order to observe and characterize the motion of the swarm robots by using the saved data.Lastly the collective motion was tested for a group of two, three, four and five robots. The expanse and polarization values were presented for each test.