@PhDThesis{Freitas:2019:CoCoBe,
author = "Freitas, Vander Luis de Souza",
title = "Controlling collective behaviors and autonomous mobile agents",
school = "Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)",
year = "2019",
address = "S{\~a}o Jos{\'e} dos Campos",
month = "2019-10-16",
keywords = "reactive models, nonlinear dynamics, collective motion, symmetric
circular formation, kilobots, modelos reativos, din{\^a}mica
n{\~a}o-linear, movimento coletivo, forma{\c{c}}{\~o}es
circulares sim{\'e}tricas, kilobots.",
abstract = "Collective behaviors emerge from interactions among living beings.
Similarly, engineering applications with mobile robots might
employ bio-inspired strategies to reach desired group
configurations. This thesis proposes strategies that exploit
communication among close agents to obtain the desired behavior.
Firstly, a reactive model of agents that group into a certain
neighborhood and follow a mobile reference is presented. The
adopted parameters are achieved via heuristics that target
specific formation topologies. Each agent has a sensory region
around itself that allows perceiving neighbors that come close.
Furthermore, the group follows the socalled virtual agent (VA), a
non-real agent that dictates the trajectory to be chased. The
second part of the thesis is devoted to a first-order model of
particles with coupled oscillator dynamics, focusing on the
specific case of particles moving in circular trajectories and
reaching clusters of the same size that are symmetrically
distributed along the trajectory. The study starts with an
investigation of the control parameters space in order to find
regions where particles reach desired formations regardless of
initial conditions. After that, the effects of adding and removing
particles from already stable ensembles are explored. Simulations
show that some particles never join clusters when the number of
new elements is smaller than a certain critical value. In a
similar fashion, clusters start to break only after a critical
number of removed elements. Additionally, a strategy is proposed
to change from one cluster configuration to another. Finally, the
so-called Switching System is proposed, allowing for symmetric
circular formations with time-periodic and chaotic dynamics. The
model for obtaining cluster configurations is implemented in a
simulator of mobile robots as a proof of concept. RESUMO:
Comportamentos coletivos complexos emergem de
intera{\c{c}}{\~o}es entre seres vivos. Da mesma forma,
aplica{\c{c}}{\~o}es de engenharia com rob{\^o}s m{\'o}veis
podem empregar estrat{\'e}gias bio-inspiradas para
obten{\c{c}}{\~a}o de configura{\c{c}}{\~o}es de grupo
desejadas. Esta tese prop{\~o}e estrat{\'e}gias que exploram
comunica{\c{c}}{\~a}o entre agentes pr{\'o}ximos para obter o
comportamento almejado. Inicialmente, apresenta-se um modelo
reativo de agentes que se agrupam em uma dada vizinhan{\c{c}}a e
seguem uma refer{\^e}ncia m{\'o}vel. Os par{\^a}metros adotados
s{\~a}o provenientes de heur{\'{\i}}sticas que objetivam
topologias de forma{\c{c}}{\~a}o espec{\'{\i}}ficas. Cada
agente possui uma regi{\~a}o sensorial que o permite se comunicar
com agentes pr{\'o}ximos. Ainda, o grupo segue o chamado agente
virtual, um agente fict{\'{\i}}cio que indica a trajet{\'o}ria
a ser seguida. A segunda parte da tese se concentra em um modelo
de primeira ordem de part{\'{\i}}culas com din{\^a}mica de
osciladores de fase acoplados. Trata-se do caso
espec{\'{\i}}fico de part{\'{\i}}culas se movendo em
trajet{\'o}rias circulares e subdividindo-se em clusters de mesmo
tamanho e distribu{\'{\i}}dos simetricamente pela
trajet{\'o}ria. O estudo inicia-se com a investiga{\c{c}}{\~a}o
do espa{\c{c}}o dos par{\^a}metros de controle a fim de
encontrar regi{\~o}es onde as part{\'{\i}}culas atingem as
forma{\c{c}}{\~o}es desejadas, independentemente das
condi{\c{c}}{\~o}es iniciais. Em seguida, explora-se os efeitos
da adi{\c{c}}{\~a}o e remo{\c{c}}{\~a}o de part{\'{\i}}culas
em arranjos j{\'a} est{\'a}veis. Simula{\c{c}}{\~o}es mostram
que algumas part{\'{\i}}culas nunca integram clusters quando o
n{\'u}mero de novos elementos {\'e} menor do que um valor
cr{\'{\i}}tico. Do mesmo modo, os clusters come{\c{c}}am a se
quebrar apenas a partir de um certo n{\'u}mero cr{\'{\i}}tico
de part{\'{\i}}culas removidas do arranjo. Al{\'e}m disso,
prop{\~o}e-se uma estrat{\'e}gia para realizar
transi{\c{c}}{\~o}es entre uma forma{\c{c}}{\~a}o de clusters
para outra. Por fim, apresenta-se o chamado Switching system, que
permite forma{\c{c}}{\~o}es circulares sim{\'e}tricas com
part{\'{\i}}culas que n{\~a}o se sobrep{\~o}em e
trajet{\'o}rias ca{\'o}ticas. O modelo para obten{\c{c}}{\~a}o
das configura{\c{c}}{\~o}es de clusters {\'e} implementado em
um simulador de rob{\^o}s m{\'o}veis como uma prova de
conceito.",
committee = "Quiles, Marcos Gon{\c{c}}alves (presidente) and Macau, Elbert
Einstein Nehrer (orientador) and Yanchuk, Serhiy (orientador) and
Guimar{\~a}es, Lamartine Nogueira Frutuoso and Carvalho, Solon
Ven{\^a}ncio de and Cirilo, Patricia Romano and Piqueira,
Jos{\'e} Roberto Castilho",
englishtitle = "Controlando comportamentos coletivos e agentes m{\'o}veis
aut{\^o}nomos",
language = "en",
pages = "106",
ibi = "8JMKD3MGPDW34P/3U9CUG2",
url = "http://urlib.net/ibi/8JMKD3MGPDW34P/3U9CUG2",
targetfile = "publicacao.pdf",
urlaccessdate = "2024, Mar. 28"
}