Arquitetura modular para navegação autônoma com aceleração de aprendizagem, fusão sensorial e comunicação colaborativa

dc.contributor.advisor1Vieira, Flávio Henrique Teles
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/0920629723928382
dc.contributor.referee1Vieira, Flávio Henrique Teles
dc.contributor.referee1Latteshttp://lattes.cnpq.br/0920629723928382
dc.contributor.referee2Cardoso, Álisson Assis
dc.contributor.referee2Latteshttp://lattes.cnpq.br/8216536516894987
dc.contributor.referee3Pinheiro Junior, Carlos Galvão
dc.contributor.referee3Latteshttp://lattes.cnpq.br/6491947028449971
dc.contributor.referee4Fonseca, João Paulo da Silva
dc.contributor.referee4Latteshttp://lattes.cnpq.br/5217261758266411
dc.contributor.referee5Brito, Leonardo da Cunha
dc.contributor.referee5Latteshttp://lattes.cnpq.br/6660680440182900
dc.creatorBezerra, Carlos Daniel de Sousa
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/7291202153865935
dc.date.accessioned2025-12-19T19:29:31Z
dc.date.available2025-12-19T19:29:31Z
dc.date.issued2025-10-08
dc.description.abstractThis work proposes a modular architecture for autonomous navigation of mobile robots in dynamic environments, integrating functional modules: (i) intelligent control through deep reinforcement learning, (ii) fusion of visual and non-visual sensors, (iii) a visionbased anti-collision safety module, and (iv) collaborative hybrid communication. The proposed EKF-DQN algorithm accelerates the learning process by integrating state predictions provided by the Extended Kalman Filter. The sensor fusion system combines data from visual and non-visual sensors through strategies such as Late Fusion, allowing the agent to acquire a robust perception of the environment. For operational safety, a person detection module was implemented to identify collision risks. In the communication layer, a hybrid protocol is proposed that combines: (i) LoRa technology, known for its long range and low power consumption, used for communication with remote stations (R2I); and (ii) the DDS middleware, used for short-range robot-to-robot (R2R) communication, ensuring real-time synchronization and sensory data exchange. To enhance the robustness of LoRa connectivity, a new algorithm called “Forced Data Rate” was developed, which adaptively enforces the spreading factor based on link quality, outperforming the traditional Adaptive Data Rate (ADR) algorithm in scenarios with constant mobility. To enable the transmission of high-resolution sensory data, such as those generated by LiDAR sensors, a compression technique based on autoencoders was used, achieving an average payload size reduction of 82% without significant loss of accuracy. Results obtained from both simulations and real-world robot experiments demonstrated significant improvements in navigation performance. The proposed EKF-DQN achieved a 93.33% success rate and outperformed the traditional D3QN. With the integration of the safety module, a 72% success rate was achieved in environments with moving people.eng
dc.description.resumoEste trabalho propõe uma arquitetura modular para a navegação autônoma de robôs móveis em ambientes dinâmicos, aliando os seguintes módulos funcionais: (i) controle inteligente por aprendizado por reforço profundo, (ii) fusão de sensores visuais e não visuais, (iii) módulo de segurança anti-colisão baseado em visão computacional, e (iv) comunicação híbrida colaborativa. O algoritmo EKF-DQN proposto acelera o processo de aprendizagem ao integrar predições de estado fornecidas pelo Filtro de Kalman Estendido. O sistema de fusão sensorial combina dados de sensores visuais e não visuais por meio de estratégias como Late Fusion, permitindo ao agente adquirir uma percepção robusta do ambiente. Para segurança operacional, foi implementado um módulo de detecção de pessoas que identifica risco de colisão. Na camada de comunicação, propõe-se protocolo híbrido que combina: (i) a tecnologia LoRa, de longo alcance e baixo consumo, utilizada para comunicação com estações remotas (R2I); e (ii) o middleware DDS, aplicado à comunicação de curto alcance entre robôs (R2R), garantindo sincronização e troca de informações sensoriais em tempo real. Com foco na robustez da conectividade LoRa, desenvolveu-se o algoritmo “Taxa Forçada de Dados”, que força adaptativamente o fator de espalhamento espectral com base na qualidade do enlace, superando o desempenho do tradicional algoritmo Adaptive Data Rate (ADR) em cenários com mobilidade constante. Para viabilizar a transmissão de dados sensoriais de alta resolução, como os gerados por sensores LiDAR, foi empregada uma técnica de compressão baseada em autoencoders para transmissão LoRa, atingindo uma redução média de 82% no tamanho do payload, sem perda significativa de acurácia. Os resultados, obtidos tanto em simulações quanto em experimentos reais com robôs, demonstram melhorias expressivas em desempenho de navegação. O EKF-DQN proposto atingiu 93.33% de taxa de sucesso e foi superior ao tradicional D3QN. Com a inserção do módulo de segurança, foi alcançado 72% de taxa de sucesso com pessoas em movimento no ambiente.
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES
dc.identifier.citationBEZERRA, C. D. S. Arquitetura modular para navegação autônoma com aceleração de aprendizagem, fusão sensorial e comunicação colaborativa. 2025. 175 f. Tese (Doutorado em Ciência da Computação) - Instituto de Informática, Universidade Federal de Goiás, Goiânia, 2025.
dc.identifier.urihttps://repositorio.bc.ufg.br/tede/handle/tede/14978
dc.languagePortuguêspor
dc.publisherUniversidade Federal de Goiáspor
dc.publisher.countryBrasilpor
dc.publisher.departmentInstituto de Informática - INF (RMG)
dc.publisher.initialsUFGpor
dc.publisher.programPrograma de Pós-graduação em Ciência da Computação (INF)
dc.rightsAcesso Aberto
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subjectNavegação autônomapor
dc.subjectDQNpor
dc.subjectFiltro de Kalmanpor
dc.subjectLoRapor
dc.subjectFusão de sensorespor
dc.subjectMARLpor
dc.subjectDDSpor
dc.subjectAutonomous navigationeng
dc.subjectDDQNeng
dc.subjectKalman filtereng
dc.subjectSensor fusioneng
dc.subject.cnpqCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO
dc.titleArquitetura modular para navegação autônoma com aceleração de aprendizagem, fusão sensorial e comunicação colaborativa
dc.title.alternativeModular architecture for autonomous navigation with learning acceleration, sensor fusion, and collaborative communicationeng
dc.typeTese

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