Multi-robots coordination system for urban search and rescue post-disaster assistance based on supervisory control theory

Abstract

A aplicação de robôs em Busca e Resgate de Acidentes Urbanos (USAR - Urban Search and Rescue) tem recebido maior atenção da comunidade científica por possibilitar uma redução nos tempos de busca por vítimas e riscos enfrentados por equipes humanas. Entretanto, as tecnologias atuais ainda não proveem a robustez, confiabilidade e segurança necessárias para implementação de robôs em meio a equipes humanas atuando em USAR. Neste trabalho propomos um Sistema de Coordenação Multi-robôs (MCS - Multi-robots Coordination System), o qual implementa uma abordagem reativa/deliberativa com o objetivo de fornecer esta tão necessária confiabilidade e segurança. Os robôs e suas restrições foram modelados por modelos formais, para que pudéssemos sintetizar supervisores pela Teoria de Controle Supervisório. Ao implementar esses supervisores no sistema de controle de cada robô, formulamos a camada reativa, a qual delimita ao sistema quais comportamentos atendem às especificações projetadas. Para definir a ação mais eficiente dentre as habilitadas pelos supervisores, um Gerenciador de Tarefas (Task Manager) é responsável por deliberar o comportamento do robô. Para garantir uma maior eficiência na execução das tarefas solicitadas, um componente centralizado chamado Task Dispatcher é então responsável por definir a melhor alocação de tarefas para os robôs com base em seu status atual e sequências de tarefas (missões) requeridas por um humano. A integração total dos componentes do MCS foi implementada pelo framework ROS (do inglês, Robotic Operating System) com o objetivo de validar a arquitetura proposta através de um ambiente simulado. Foi projetado um cenário composto por dois robôs terrestres e dois robôs aéreos aplicados a uma cena pós-desastre. Missões foram solicitadas de acordo com os procedimentos comuns de agências USAR internacionais. Como resultado da arquitetura proposta, o MCS fornece maior confiabilidade aos comportamentos dos robôs, por ser um sistema baseado em formalismos corretos por construção. Além disso, a camada reativa mostrou potencial de ser escalável, apresentando um consumo computacional máximo de apenas 5,7% do sistema de robôs terrestres e 2,3% da capacidade de robôs aéreos. Portanto, o sistema proposto fornece uma alternativa para que robôs sejam aplicados em USAR de forma que suas ações sejam executadas de forma segura.

Abstract: The application of robots in Urban Search and Rescue (USAR) has received an increasing attention from the scientific community to reduce the time needed to find victims and risks faced by human teams. However, current technologies still do not provide the robustness, reliability and security required for implementing robots as part of human teams working in USAR. In this work we propose a Multi-robots Coordination System (MCS) which implements a reactive/deliberative approach in order to provide this much-needed reliability and security. The robots and their constraints were modeled by formal models, so that we could synthesize supervisors by the Supervisory Control Theory (SCT). By implementing these supervisors in the control system of each robot, we formulate the reactive layer, which delimits to the system which behaviors attain to the designed specifications. To define the most efficient action among those enabled by supervisors, a Task Manager is responsible for deliberating the robot's behavior. To ensure greater efficiency in executing the requested tasks, a centralized component called Task Dispatcher is then responsible for defining the best task allocation for robots based on their current status and task sequences (missions) required by a human. The total integration of MCS components was implemented in the Robotic Operating System (ROS) framework in order to validate the proposed architecture through a simulated environment. A scenario consisting of two ground robots and two aerial robots was designed and applied to a post-disaster scene. Missions were requested according to the common procedures of international USAR agencies. As a result of the proposed architecture, the MCS provides greater reliability to the behavior of robots, as it is a system based on correct by construction formalisms. In addition, the reactive layer showed potential to be scalable, presenting a maximum computational consumption of only 5.7% of the ground robot system and 2.3% of the capacity of aerial robots. Therefore, the proposed system provides an alternative for robots to be applied in USAR so that their actions are performed safely.