O mapa do ambiente será produzido a partir da leitura de sensores dos diversos VANT que movimentam-se pelo espaço. Com os dados coletados pelos VANT, é construído um mapa topológico na forma de um grafo interconectado cuja estrutura é bioinspirada em favos de colmeias de abelhas. Alguns trabalhos já foram inspirados pelo uso de estrutura de favos de colmeia, porém voltados para a estrutura de comunicação de redes sem fio ((LIU et al., 2006; STOJMENOVIC, 1997)). Outros trabalhos se dedicaram a representação de mapas com formatos hexagonais, porém sem aplicação na robótica móvel ((YANG; BIUK-AGHAI, 2015; POLISCIUC et al., 2016; SAHR, 2011)).
A construção dos favos de uma colmeia (honeycomb) faz uso de um material a prova d’água a partir de ceras produzidas pelas próprias abelhas, juntamente com a estrutura hexagonal de cada favo, proporciona uma estrutura leve e resistente o suficiente para maximizar a produção de mel e outras necessidades delas (GOULD; GOULD, 2012). Em geral, as abelhas fazem uma organização de cilindros de padrão hexagonal onde elas progressivamente formam as laterais desses cilindros pela adição de ceras produzidas e manipuladas pelas abelhas construtoras. A estrutura hexagonal permite a construção de favos com menor quantidade de cera necessária (economia de material) com a capacidade de maior armazenamento. O conjunto dos favos da colmeia é o resultado do trabalho coletivo de centenas de abelhas onde não há um comando central, e os indivíduos constroem apenas novos cilindros ao lado de outros existentes, promovendo a ampliação da colmeia, de forma que este ambiente influencia o comportamento, o qual por sua vez transforma o ambiente, sendo um mecanismo de sinergia (NAZZI, 2016). A figura 19 apresenta a estrutura de favos de colmeia.
Na natureza as abelhas começam a estruturar os favos a partir de buracos em árvores, galhos e outras estruturas existentes (GOULD; GOULD, 2012). Já na apicultura, produtores fornecem uma estrutura retangular onde as abelhas começam a construção em uma base na parte superior e vão aos poucos construindo novos favos adjacentes aos já existentes (EMBRAPA, 2018). Da mesma forma, o método aqui apresentado busca iniciar a construção do mapeamento a partir de um ponto inicial gerado por um VANT, enquanto os demais VANT irão sempre realizar suas tarefas em espaços diretamente adjacentes aos já existentes no mapa.
Esta estrutura de favos possibilita que seja definida uma estrutura topológica no mapeamento de ambientes. O centro de cada favo representa um nó, enquanto as paredes do hexágono representam a adjacência existente entre os favos. Dessa forma, o método proposto considera que se existe uma adjacência entre os favos, existe um espaço livre no ambiente e,
Figura 19: Estrutura hexagonal dos favos de uma colmeia.
Fonte: Autoria própria.
assim, é possível que o VANT ou um humano se desloque por esse espaço.
Ao sobrepor e combinar a estrutura de favos de colmeias com uma área do ambiente, é possível definir um avanço da exploração e do mapeamento baseando-se no comportamento das abelhas neste processo. A figura 20 apresenta esta combinação.
Por exemplo, considere o ponto (1) da figura 20 onde está localizado o VANT, o qual pode ser considerado o ponto inicial de exploração do ambiente. Caso não existam obstáculos, ele possui adjacência com os pontos (2), (3), (4), (5), (6) e (7). Assim, esse mapeamento topológico possibilita o processamento de forma mais leve em comparação com o processamento de mapas métricos (SIEGWART et al., 2011).
A distribuição do espaço a ser mapeado é iniciado em um ponto de entrada pré- estabelecido, onde a equipe de resgate irá posicionar o primeiro VANT que atuará como sentinela, de forma semelhante que as abelhas constroem os favos na natureza. Um primeiro VANT registra o primeiro favo (ou hexágono) do mapa a partir de sua localização inicial e então identifica onde existem adjacências a partir de leitura de sensores localizados na sua parte frontal, superior e inferior, inserindo esses novos identificadores no mapa topológico em uma unidade centralizadora de informações com acesso global por todos os robôs. Estes novos pontos identificados estão disponíveis para serem mapeamentos pelos demais VANT. Os VANT
Figura 20: Combinação entre área do ambiente e a estrutura hexagonal dos favos de uma colmeia.
Fonte: Autoria própria
podem estar em três possíveis estados: em exploração, em deslocamento ou parado. O estado em exploração significa que o VANT está fazendo a leitura e mapeamento da faces de um determinado hexágono. O estado em deslocamento significa que o VANT recebeu a tarefa de explorar um determinado hexágono e está se dirigindo até ele pelo mapa topológico. O VANT estará no estado parado quando estiver esperando a definição de algum hexágono para mapear. Assim, cada VANT que não está em estado de exploração de um favo ou deslocando- se, busca na unidade centralizadora um novo espaço que ainda precisa ser mapeado a partir das adjacências existentes dos favos já identificados. O processo de mapeamento de cada favo gera uma representação em três dimensões da ocupação do ambiente, mas também pode incluir mais informações que podem ser adquiridas dependendo da tecnologia de sensores embarcados no VANT, como imagens térmicas por exemplo. Desse modo, o mapa fornecerá uma visão gráfica para as equipes de resgate ao mesmo tempo que a estrutura topológica em favos de colmeia possibilitam um processamento de menor custo comparado com uma representação em grade de ocupação.
processo de exploração. Devem ser definidas as dimensões de raio do hexágono (que é a distância do centro até o ponto mais próximo de uma das faces), a sua altura, bem como qual a altitude máxima de atuação dos VANT. A figura 21 apresenta um hexágono e os pontos que devem ser configurados. A definição do raio de um hexágono para um mesmo espaço irá interferir no grau de detalhamento do mapa gerado, bem como a quantidade de hexágonos necessários para cobrir a área total explorada, ou seja, quanto menor o raio, maior será o número de hexágonos para um mesmo espaço. Além disso, a altura do hexágono e a altitude máxima de atuação dos VANT irão interferir no número de camadas de hexágono sobrepostos. A figura 22 apresenta um exemplo dos hexágonos em duas camadas sobrepostas.
Figura 21: Hexágono com configuração de raio e altura.
Fonte: Autoria própria.
Figura 22: Hexágono em camadas sobrepostas.