Top Banner
http://dspace.nitrkl.ac.in/dspace
314

dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

Oct 14, 2018

Download

Documents

dinhque
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

 

 

 

 

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

http://dspace.nitrkl.ac.in/dspace  

Page 2: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots

A Thesis 

Submitted to the Department of Mechanical Engineering  

of National Institute of Technology, Rourkela 

in partial fulfillment of the requirements for the degree of  

DOCTOR OF PHILOSOPHY IN ENGINEERING 

 By 

Saroj Kumar Pradhan  

Department of Mechanical Engineering 

 National Institute of Technology 

 Rourkela‐769008 (India) 

May 2007

Page 3: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots

A Thesis 

Submitted to the Department of Mechanical Engineering  

of National Institute of Technology, Rourkela 

in partial fulfillment of the requirements for the degree of  

DOCTOR OF PHILOSOPHY IN ENGINEERING 

 By 

Saroj Kumar Pradhan  

Under the Guidance of  

Dr. D. R. Parhi          Dr. A. K. Panda 

(Supervisor)          (Co‐supervisor) 

Department of Mechanical Engineering 

 National Institute of Technology 

 Rourkela‐769008 (India) 

May 2007 

Page 4: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

This Thesis is Dedicated

to my Late Mother Smt. Basanti Pradhan

and Late Brother Sri Manoj Kumar Pradhan

Page 5: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

i

Declaration

  I  hereby  declare  that  the work which  is  being  presented  in  the  thesis 

entitled  “Navigation  Techniques  for  Control  of  Multiple  Mobile  Robots”  in 

partial fulfillment of the requirements for the award of the degree of DOCTOR 

OF PHILOSOPHY  submitted  to  the Department of Mechanical Engineering of 

National  Institute  of  Technology, Rourkela,  is  an  authentic  record  of my  own 

work  under  the  supervision  of  Dr.  D.  R.  Parhi,  Department  of  Mechanical 

Engineering and Dr. A. K. Panda, Department of Electrical Engineering.  I have 

not  submitted  the matter  embodied  in  this  thesis  for  the  award  of  any  other 

degree or diploma of the university or any other institute. 

 

 

Date: 28th May, 2007                    Saroj Kumar Pradhan 

  

Page 6: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

ii

Certificate

This  is  to  certify  that  the  thesis  entitled  “Navigation  Techniques  for 

Control  of  Multiple  Mobile  Robots”  being  submitted  by  Shri  Saroj  Kumar 

Pradhan  is a bona  fide  research  carried out by him at Mechanical Engineering 

Department, National Institute of Technology, Rourkela, under our guidance and 

supervision. The work incorporated in this thesis has not been, to the best of our 

knowledge, submitted to any other University or any Institute for the award of 

any degree or diploma. 

 

  

 D. R. Parhi                A. K. Panda     (Supervisor)                (Co‐Supervisor) 

                                 

 

 

Date: 28th May, 2007    

 

 

Page 7: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

iii

Acknowledgements It has been a pleasure for me to work on this dissertation. I hope the reader will find it not only interesting and useful, but also comfortable to read.   The research reported here has been carried out  in  the Mechanical Engineering Department of National Institute of Technology, Rourkela at the Robotics Laboratory. I am greatly indebted to many persons for helping me to complete this dissertation.              First and foremost, I wish to express my sense of gratitude and indebtedness to my  supervisors,  Dr.  D.R.  Parhi  and  Dr.  A.K.  Panda  for  their  inspiring  guidance, encouragement, and untiring  efforts  throughout  the  course of  this work. Their  timely help, constructive criticism, and painstaking efforts made it possible to present the work contained in this thesis. 

I express my heartfelt thanks to the reviewers for giving their valuable comments on  the  published  papers  in  different  international  journals, which  helps  to  carry  the research  works  in  a  right  direction.  I  also  thank  to  the  international  and  national conference organisers for intensely reviewing the published papers. 

I  am  grateful  to  Prof.  S.K.  Sarangi,  Director,  and  Head  of  the  Department, Mechanical Engineering, for their active interest and support. I am also thankful to the staff members of Mechanical Engineering Department, National Institute of Technology, Rourkela for providing all kind of possible help throughout the research work. I am also thankful  to  the head  and  staff members  at my workplace  for  their  valuable  supports during the research.   I  express my  deep  sense  of  gratitude  and  reverence  to my  beloved  father  Sri Narendra Pradhan, mother Late Smt. Basanti Pradhan, sisters and my brother Late Sri Manoj Kumar Pradhan for their blessings, forbearance and endeavors to keep my moral high  throughout  the  period  of my work.  I  am  grateful  to my wife  Saswati  Soumya Pradhan,  for  her  support  and  patience  during  this  work,  and  to  my  daughter Manishikha, for constantly reminding me with less patience but no less love, that there is life outside the office.     Thanks are due to Dr. Rabindra Kumar Behera, faculty Mechanical Engineering Department,  for  his  constant  advice  and  encouragement      through  out  the  research work. It is a great pleasure for me to acknowledge and express my appreciation to all my well wishers  for  their  understanding,  relentless  supports,  and  encouragement during my research work. Last but not the least; I wish to express my sincere thanks to all those who directly or indirectly helped me at various stages of this work.   

Saroj Kumar Pradhan 

Page 8: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

iv

  Synopsis

The  investigation reported  in  this  thesis attempt  to develop efficient  techniques 

for  the  control of multiple mobile  robots  in an unknown  environment. Mobile 

robots  are  key  components  in  industrial  automation,  service  provision,  and 

unmanned space exploration. This thesis addresses eight different techniques for 

the navigation of multiple mobile robots. These are fuzzy logic, neural network, 

neuro‐fuzzy,  rule‐base,  rule‐based‐neuro‐fuzzy,  potential  field,  potential‐field‐

neuro‐fuzzy, and simulated‐annealing‐ potential‐field‐ neuro‐fuzzy techniques. 

The main components of this thesis comprises of eight chapters. Following 

the  literature  survey  in  Chapter‐2,  Chapter‐3  describes  how  to  calculate  the 

heading  angle  for  the mobile  robots  in  terms  of  left wheel  velocity  and  right 

wheel velocity of the robot. 

In Chapter‐4 a  fuzzy  logic  technique has been analysed. The  fuzzy  logic 

technique  uses  different membership  functions  for  navigation  of  the multiple 

mobile robots, which can perform obstacles avoidance and target seeking. 

Chapter‐5  consists  of  two  subsections.  In  first  subsection  the  neural 

network technique has been developed and analysed for controlling the multiple 

mobile robots. Then this technique is hybridised with fuzzy logic to improve the 

Page 9: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

v

fuzzy  logic  controller of Chapter‐4 with  the addition of a neural network as a 

pre‐processor for the fuzzy controller. 

Chapter‐6 analyses a rule‐based‐neuro‐fuzzy technique for controlling the 

mobile robots. A rule‐base  technique  is  first developed and  then  it  is combined 

with the neuro‐fuzzy technique of Chapter‐5 to increase its efficiency. 

Chapter‐7 deals with an efficient potential field method for navigation of 

multiple mobile robots. Then a hybrid potential‐field‐neuro‐fuzzy technique for 

controlling the mobile robots is described.  

Finally,  Chapter‐8  analyses  the  optimisation  of  potential  field with  the 

help of simulated annealing for escaping local minima. The developed potential‐

field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy  technique  is  described  in  simulation  as 

well as for real mobile robots.  

 

Page 10: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

vi

Table of Contents

1  Introduction ..................................................................................................... 1 

1.1  Background....................................................................................................... 1 1.2  Aims and Objectives of this Research ........................................................... 3 1.3  Outline of the Thesis........................................................................................ 4 2  Literature Review............................................................................................ 6 

2.1  Introduction ...................................................................................................... 6 2.2  Mobile Robot Navigation................................................................................ 6 2.3  Kinematic Analysis of Mobile Robots......................................................... 10 2.3.1  Introduction ................................................................................................ 10 2.3.2  Kinematic Analysis for Mobile Robot Navigation ................................ 10 

2.4  Fuzzy Logic Technique ................................................................................. 11 2.4.1  Introduction ................................................................................................ 11 2.4.2  Fuzzy Logic Technique for Mobile Robot Navigation ......................... 11 

2.5  Neural Network Technique.......................................................................... 20 2.5.1  Introduction ................................................................................................ 20 2.5.2  Neural Network Technique for Mobile Robot Navigation.................. 24 2.5.3  Neuro‐Fuzzy Technique for Mobile Robot Navigation ....................... 28 

2.6  Rule Based Technique ................................................................................... 34 2.6.1  Introduction ................................................................................................ 34 2.6.2  Rule based Technique for Mobile Robot Navigation............................ 35 

2.7  Potential Field Navigation Technique ........................................................ 37 2.7.1  Introduction ................................................................................................ 37 2.7.2  Potential Field Technique for Mobile Robot Navigation ..................... 37 

2.8  Simulated Annealing Technique ................................................................. 42 2.8.1  Introduction ................................................................................................ 42 2.8.2  Simulated Annealing Technique ............................................................. 42 

2.9  Sensors for Mobile Robots ............................................................................ 43 2.9.1  Ultrasonic Sensors for Robot Navigation ............................................... 44 2.9.2  Infrared Sensors for Robot Navigation................................................... 46 2.9.3  Other Sensors Used in Navigation .......................................................... 47 

2.10  Summary ......................................................................................................... 48  

Page 11: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

vii

 

3  Kinematic Analysis of Mobile Robots...................................................... 49 

3.1  Introduction .................................................................................................... 49 3.2  Configuration of Mobile Robot .................................................................... 49 3.3  Kinematic Model ............................................................................................ 51 4  Fuzzy Logic Technique ................................................................................ 55 

4.1  Introduction .................................................................................................... 55 4.2  Control Architecture...................................................................................... 56 4.2.1  Analysis of Obstacle Avoidance and Target Seeking Behaviour........ 56 4.2.2  Fuzzy Mechanism for Mobile Robot Navigation .................................. 61 4.2.3  Obstacle Avoidance ................................................................................... 62 4.2.4  Control Steering Action for Target .......................................................... 63 4.2.5  Petri Net Modelling to avoid Collision among the Robots.................. 70 

4.3  Demonstrations .............................................................................................. 72 4.3.1  Obstacle Avoidance and Target Seeking by Multiple Mobile Robots 72 4.3.2  Collision Free Movements in a Cluttered Environment ...................... 74 4.3.3  Obstacle Avoidance by a Large Number of Robots.............................. 75 4.3.4  Escape from Dead Ends ............................................................................ 75 

4.4  Comparison between the Different Types of Fuzzy Controller.............. 78 4.4.1  Simulation Results ..................................................................................... 78 4.4.2  Experimental Results................................................................................. 82 

4.5  Summary ......................................................................................................... 86 5  Neural Network Technique ........................................................................ 87 

5.1  Introduction .................................................................................................... 87 5.1.1  Multilayer Neural Network Based Navigation Technique.................. 88 

5.2  Neuro‐Fuzzy Technique ............................................................................... 93 5.2.1  Obstacle Avoidance ................................................................................... 95 5.2.2  Target Finding ............................................................................................ 95 

5.3  Demonstrations .............................................................................................. 96 5.3.1  Neural Network Technique...................................................................... 96 

5.3.1.1  Obstacle Avoidance and Target Seeking .................................... 96 

5.3.1.2  Escape from Dead Ends ................................................................ 98 

5.3.1.3  Navigation of ‘Nine Hundred Ninety Robots’ .......................... 98 

Page 12: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

viii

5.3.1.4  Inter Robot Collision Avoidance ................................................. 98 5.3.2  Neuro‐Fuzzy Technique ......................................................................... 102 

5.3.2.1  Collision Free Movements in a Cluttered Environment ........ 102 

5.3.2.2  Escape from Dead Ends .............................................................. 102 

5.3.2.3  Obstacle Avoidance by a Large Number of Robots................ 102 5.4  Comparisons................................................................................................. 106 5.4.1  Comparison between the Different Types of Fuzzy Controllers and Neuro‐Fuzzy Controller...................................................................................... 106 5.4.2  Comparison of the Developed Neuro‐Fuzzy Technique with Marichal and Janglova Techniques .................................................................................... 111 

5.5  Summary ....................................................................................................... 119 6  Rule Based Technique ............................................................................... 120 

6.1  Introduction .................................................................................................. 120 6.2  Rule Based Technique for Mobile Robots................................................. 122 6.2.1  Analysis of Rule‐Based Technique ........................................................ 126 

6.3  Rule‐Based ‐ Neuro‐Fuzzy technique ....................................................... 131 6.4  Demonstrations ............................................................................................ 133 6.4.1  Rule‐Based Technique ............................................................................. 133 

6.4.1.1  Obstacle Avoidance and Target Seeking by Multiple Mobile Robots…………. ............................................................................................... 133 

6.4.1.2  Obstacle Avoidance by a Large Number of Robots................ 133 

6.4.1.3  Escape from Dead Ends .............................................................. 136 

6.4.1.4  Collision Free Movements in a Cluttered Environment ........ 136 6.4.2  Rule‐Based‐Neuro‐Fuzzy Technique .................................................... 139 

6.4.2.1  Escape from Dead Ends .............................................................. 139 

6.4.2.2  Navigation by Nine Hundred Ninety Mobile Robots ............ 139 

6.4.2.3  Inter Robot Collision Avoidance ............................................... 139 

6.4.2.4  Experimental Validation with the Simulation Results for Two Mobile Robots................................................................................................... 143 

6.5  Comparison between Different Controllers............................................. 145 6.5.1  Experiments with Single Real Mobile Robot ....................................... 148 

6.6  Summary ....................................................................................................... 151 

Page 13: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

ix

7  Potential Field Navigation Technique.................................................... 152 

7.1  Introduction .................................................................................................. 152 7.2  Analysis of Potential Field Navigation technique................................... 153 7.2.1  Attractive Potential Function ................................................................. 153 7.2.2  Repulsive Potential Function ................................................................. 154 7.2.3  New Repulsive Potential Function........................................................ 158 7.2.4  Robot Navigation ..................................................................................... 161 7.2.5  Hybrid Potential Field Navigation technique...................................... 166 

7.3  Demonstrations ............................................................................................ 168 7.3.1  Potential Field Navigation Technique .................................................. 168 

7.3.1.1  Obstacle Avoidance and Target Seeking by Multiple Mobile Robots  ……………………………………………………………………..168 

7.3.2  Potential‐Field‐Neuro‐Fuzzy Technique .............................................. 169 

7.3.2.1  Escape from Dead Ends .............................................................. 169 

7.3.2.2  Navigation of Several Mobile Robots ....................................... 171 

7.3.2.3  Inter Robot Collision Avoidance ............................................... 171 

7.3.2.4  Experimental Validation for Two Mobile Robots with the Simulation Results ........................................................................................... 174 

7.4  Comparison between Different Controllers............................................. 176 7.4.1  Simulation Results ................................................................................... 176 

7.4.1.1  Experiments with single Mobile Robot..................................... 180 

7.4.1.2  Experiments with Two Real Mobile Robots............................. 182 7.5  Summary ....................................................................................................... 184 8  Simulated Annealing ................................................................................. 185 

8.1  Introduction .................................................................................................. 185 8.2  Simulated Annealing................................................................................... 186 8.2.1  Simulated Annealing Technique ........................................................... 187 8.2.2  Hybrid Technique .................................................................................... 193 

8.3  Demonstrations ............................................................................................ 195 8.3.1  Inter Robot Collision Avoidance ........................................................... 195 8.3.2  Experimental Validation for Two Mobile Robots with the Simulation Results.................................................................................................................... 196 8.3.3  Escape from Dead Ends .......................................................................... 198 

Page 14: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

x

8.3.4  Navigation of Several Mobile Robots ................................................... 200 8.4  Comparison between Different Controllers............................................. 202 8.4.1  Simulation Results ................................................................................... 202 8.4.2  Experiments with Single Real Mobile Robot ....................................... 206 8.4.3  Experiments with Multiple Mobile Robots .......................................... 208 

8.5  Summary ....................................................................................................... 215 9  Conclusions and Further Work ................................................................ 216 

9.1  Contributions................................................................................................ 216 9.2  Conclusions................................................................................................... 217 9.3  Further Work ................................................................................................ 217 Appendix – A ......................................................................................................... 219 

Software used for Robot navigation...................................................................... 219 A.1  Navigation Software.................................................................................... 219 

A.1.1  Obstacle Menu:................................................................................. 219 

A.1.2  Number of Robot Menu: ................................................................. 219 

A.1.3  Run Menu:......................................................................................... 219 

A.1.4  Techniques Menu:............................................................................ 219 

A.1.5  Target Menu:..................................................................................... 221 

A.1.6  Manual Command (Parameter Menu):......................................... 221 Appendix – B.......................................................................................................... 223 

Petri Net Model ........................................................................................................ 223 B.1  Basic Definitions of Petri Net Model:........................................................ 223 Appendix ‐ C.......................................................................................................... 230 

Description of Experimental Mobile Robots........................................................ 230 C.1  Khepera II Robot .......................................................................................... 230 C.2  Boe‐Bot Robot ............................................................................................... 231 C.3   Hemisson Robot ........................................................................................... 232 C.4   Koala Robot................................................................................................... 233 Appendix – D......................................................................................................... 234 

Data Mining Tools See5 .......................................................................................... 234 D.1  See5 Required Following files: ................................................................... 234 

D.1.1  Application Files .............................................................................. 234 

Page 15: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

xi

D.1.2  Names File......................................................................................... 234 

D.1.3  Data File............................................................................................. 235 

D.1.3.1   Locate Data.................................................................................. 236 

D.1.3.2   Construct Classifier.................................................................... 236 

D.1.3.3   Stop............................................................................................... 236 

D.1.3.4   Review Output ........................................................................... 236 

D.1.3.5   Use Classifier .............................................................................. 236 

D.1.3.6   Cross‐Reference.......................................................................... 236 

D.1.4  Constructing Classifiers .................................................................. 236 

D.1.5  Rulesets.............................................................................................. 237 Appendix – E.......................................................................................................... 240 

Data for Rule‐based Controller .............................................................................. 240 References............................................................................................................... 250 

Published Papers................................................................................................... 279 

Papers Published in International Journals:................................................. 279 

Papers Published in International / National Conferences:....................... 280 

Page 16: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

xii

List of Tables

Table 4.1. Parameters of fuzzy membership functions............................................. 58 Table 4.2. Obstacle avoidance for three‐membership function. .............................. 64 Table 4.3. Obstacle avoidance for five‐membership function. ................................ 65 Table 4.4. Target seeking for three‐membership function. ...................................... 65 Table 4.5. Target seeking for five‐membership function.......................................... 65 Table 4.6.  Path lengths using different fuzzy controllers........................................ 81 Table 4.7.  Time taken to reach the target using different fuzzy controllers. ........ 81 Table 4.8. Time taken by robots in simulation and experiment to reach target 

(Fuzzy logic technique). ........................................................................................ 85 Table 5.1. Rules for obstacle avoidance. ..................................................................... 95 Table 5.2. Rules for target finding................................................................................ 96 Table 5.3.  Path lengths using different controllers................................................. 109 Table 5.4.  Time taken to reach the target using different controllers. ................. 110 Table 5.5.  Performance evaluation of different technique for navigation of one 

mobile robot. ......................................................................................................... 110 Table 6.1. Path lengths using different rule base techniques................................. 147 Table 6.2. Time taken to reach the target using different techniques................... 148 Table 6.3. Time taken by robots in simulation and experiment to reach the target 

(Rule‐based technique)........................................................................................ 150 Table 7.1. Path lengths using different techniques.................................................. 179 Table 7.2. Time taken to reach the target using different techniques................... 179 Table 7.3. Time taken by robots in simulation and experiment to reach target 

(Potential field navigation technique)............................................................... 182 Table 8.1. Path lengths using different techniques.................................................. 205 Table 8.2. Time taken to reach the target using different techniques................... 205 Table 8.3. Time taken by robots in simulation and experiment to reach target 

(Simulated annealing). ........................................................................................ 206 Table d.1. Summary table of the extensions used by See5. .................................... 239

Page 17: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

xiii

List of Figures

Figure 2.1. Flow diagram of the horizontal decomposition method for the navigation of a mobile robot. ................................................................................. 8

Figure 2.2. Flow diagram of the vertical decomposition method for the navigation of a mobile robot. ................................................................................. 9

Figure 2.3. Model of a neuron. ..................................................................................... 20 Figure 2.4. Three common activation functions. ....................................................... 23 Figure 3.1. A three wheeled mobile robot. ................................................................. 50 Figure 3.2. Wheeled mobile robot with left and right angular velocities. ............. 50 Figure 3.3. Wheeled mobile robot with no slip condition........................................ 51 Figure 3.4. A Robot. ....................................................................................................... 51 Figure 3.5. Kinematic parameters of the wheeled mobile robots............................ 52 Figure 3.6. Calculation of angular velocity. ............................................................... 54 Figure 4.1. Fuzzy Controllers for Mobile Robot Navigation. .................................. 59 Figure 4.2. Fuzzy membership functions. .................................................................. 60 Figure 4.3. Left, Front and Right Obstacles Distances. ............................................. 66 Figure 4.4. Resultant Left and Right Wheel Velocity. ............................................... 70 Figure 4.5. Petri Net Model for avoiding inter‐robot collision. ............................... 71 Figure 4.6. Obstacle avoidance and target seeking by forty‐five mobile robots 

using five‐membership function (Initial position). ........................................... 72 Figure 4.7. Obstacle avoidance and target seeking by forty‐five mobile robots 

using five membership function (Intermediate state). ..................................... 73 Figure 4.8. Obstacle avoidance and target seeking by forty‐five mobile robots 

using five membership function (Final state). ................................................... 73 Figure 4.9. Collision free movement using five‐membership FLC (Initial 

scenario)................................................................................................................... 74 Figure 4.10. Collision free movement using five membership FLC (Final state). 75 Figure 4.11. Navigation of large number of robots before starting the mission 

using five‐membership FLC (1000 robots). ........................................................ 76 Figure 4.12. Navigation of large number of robots after some time from the 

starting of the mission using five membership FLC (1000 robots). ................ 76 Figure 4.13. Environment for escaping from the dead ends before starting of the 

mission using five‐membership FLC. ................................................................. 77

Page 18: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

xiv

Figure 4.14. Recorded paths of fifteen robots in case of escaping from U‐shaped objects and getting the targets using five‐membership FLC. .......................... 77

Figure 4.15. Workspace for one mobile robot with one target (initial scenario)... 79 Figure 4.16. Navigation path for one mobile robot using three‐membership fuzzy 

controller. ................................................................................................................ 79 Figure 4.17. Navigation path for one mobile robot using five membership 

triangular fuzzy controller.................................................................................... 80 Figure 4.18. Navigation path for one mobile robot using Gaussian membership 

fuzzy controller. ..................................................................................................... 80 Figure 4.19. Initial scenario for real robot (Khepera II) for the similar simulated 

environment as shown in Figure 4.15. ................................................................ 82 Figure 4.20. Intermediate scenario ‐ one for real robot (Khepera II) using 

Gaussian membership fuzzy controller. ............................................................. 82 Figure 4.21. Intermediate scenario ‐ two for real robot (Khepera II) using 

Gaussian membership fuzzy controller. ............................................................. 83 Figure 4.22. Intermediate scenario ‐ three for real robot (Khepera II) using 

Gaussian membership fuzzy controller. ............................................................. 83 Figure 4.23. Final scenario when Khepera II robot reaches the target. .................. 83 Figure 4.24. Initial scenario for two real robots (Khepera II and Boe ‐ Bot) for the 

similar simulated environment as shown in Figure 4.9. .................................. 84 Figure 4.25. Intermediate scenario ‐ one for real robot experiment (Khepera II and 

Boe ‐ Bot) using Gaussian membership fuzzy controller. ................................ 84 Figure 4.26. Intermediate scenario ‐ two for real robot experiment (Khepera II 

and Boe ‐ Bot) using Gaussian membership fuzzy controller. ........................ 84 Figure 4.27. Intermediate scenario ‐ three for real robot experiment (Khepera II 

and Boe ‐ Bot) using Gaussian membership fuzzy controller. ........................ 85 Figure 4.28. Final scenario when Khepera II and Boe ‐ Bot robots reach the target.

................................................................................................................................... 85 Figure 5.1. Four layer neural network for navigation of mobile robots................. 89 Figure 5.2. Training Patterns for navigation of mobile robots. ............................... 90 Figure 5.3. Neuro‐Fuzzy Controller for navigation of mobile robots. ................... 94 Figure 5.4. Obstacle avoidance and target seeking behaviour by ten mobile robots 

using neural network technique (Initial State). ................................................. 97 Figure 5.5. Obstacle avoidance and target seeking behaviour by ten mobile robots 

using neural network technique (Final State). ................................................... 97

Page 19: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

xv

Figure 5.6. Escape from dead ends by four mobile robots using neural network technique (Initial State). ........................................................................................ 99

Figure 5.7. Escape from dead ends by four mobile robots using neural network technique (Final State). .......................................................................................... 99

Figure 5.8. Navigation of nine hundred ninety mobile robots using neural network technique (Initial State)........................................................................ 100

Figure 5.9. Navigation of one thousand mobile robots using neural network technique (Intermediate State). .......................................................................... 100

Figure 5.10. Collision avoidance between four mobile robots using neural network technique (Initial State)........................................................................ 101

Figure 5.11. Collision avoidance between four mobile robots using neural network technique (Final State). ........................................................................ 101

Figure 5.12. Collision avoidance by two mobile robots using neuro‐fuzzy technique (Initial State). ...................................................................................... 103

Figure 5.13. Collision avoidance by two mobile robots using neuro‐fuzzy technique (Final State). ........................................................................................ 103

Figure 5.14. Environment for escaping from the dead ends before starting of the mission using neuro‐fuzzy technique. .............................................................. 104

Figure 5.15. Recorded paths of fifteen robots in case of escaping from dead ends and getting the targets using neuro‐fuzzy technique. .................................... 104

Figure 5.16. Navigation of large number of robots before starting the mission neuro‐fuzzy technique (1000 robots)................................................................. 105

Figure 5.17. Navigation of large number of robots after some time from the starting of the mission using neuro‐fuzzy technique (1000 robots). ............ 105

Figure 5.18. Environment for one robot and one target. ........................................ 107 Figure 5.19. Navigation path for one mobile robot using neural network 

technique. .............................................................................................................. 107 Figure 5.20. Navigation path for one mobile robot using five‐membership fuzzy 

logic technique with Gaussian membership function. ................................... 108 Figure 5.21. Navigation path for one mobile robot using neuro‐fuzzy technique.

................................................................................................................................. 108 Figure 5.22. Navigation of one mobile robot to reach target with prior knowledge 

of target.................................................................................................................. 109 Figure 5.23. Initial scenario for navigation of one mobile robot. .......................... 111 Figure 5.24. Navigation path for one mobile robot to reach target using 

developed neuro‐fuzzy technique. .................................................................... 112

Page 20: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

xvi

Figure 5.25. Navigation path for one mobile robot to reach target for the similar environment as shown in Figure 5.23 (Janglova D., [99]). ............................. 112

Figure 5.26. Initial scenario for real robot as shown in Figure 5.23. ..................... 113 Figure 5.27. Intermediate scenario‐ one for real robot (Khepera II). .................... 113 Figure 5.28. Intermediate scenario‐two for real robot (Khepera II)...................... 113 Figure 5.29. Final scenario of real robot (Khepera II) at the target. ...................... 113 Figure 5.30. Initial scenario for navigation of two mobile robots. ........................ 114 Figure 5.31. Navigation path of two mobile robots after reaching the target using 

developed neuro‐fuzzy technique. .................................................................... 114 Figure 5.32. Navigation path of two robots to reach the target for the similar 

environment as Figure 28. (Marichal G. N. et al., [113])................................. 115 Figure 5.33. Initial scenario for two real robots (Khepera II and Boe‐Bot) for 

similar simulated environment as shown Figure 5.32.................................... 115 Figure 5.34. Intermediate scenario‐ one for two real robots (Khepera II and Boe‐

Bot). ........................................................................................................................ 116 Figure 5.35. Intermediate scenario‐ two for two real robots (Khepera II and Boe‐

Bot). ........................................................................................................................ 116 Figure 5.36. Intermediate scenario ‐ three for two real robots (Khepera II and Boe‐

Bot). ........................................................................................................................ 116 Figure 5.37. Final scenario of two real robots ‘Khepera II and Boe‐Bot’ at the 

target. ..................................................................................................................... 117 Figure 5.38. Initial scenario for four mobile robots. ................................................ 117 Figure 5.39. Navigation path for four mobile robots to reach target using 

developed neuro‐fuzzy technique. .................................................................... 118 Figure 5.40. Navigation path of four robots to reach the target for the similar 

environment as Figure 5.40 (Marichal G. N. et al. [113])................................ 118 Figure 6.1. Scenario before applying rule 1. ............................................................. 126 Figure 6.2. Final scenario when rule 1 is activated. ................................................ 127 Figure 6.3. Final scenario when rule 2 is activated. ................................................ 127 Figure 6.4. Final scenario when rule 8 is activated. ................................................ 128 Figure 6.5. Scenario before applying all the rules simultaneously. ...................... 128 Figure 6.6. Final scenario when are the rules are applied simultaneously.......... 129 Figure 6.7. Rule‐based‐neuro‐fuzzy technique for navigation of mobile robots.132 Figure 6.8. Collision free movement using rule‐based technique......................... 134 Figure 6.9. Collision free movement using rule‐based technique......................... 134

Page 21: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

xvii

Figure 6.10. Navigation of one thousand robots using rule‐based technique before starting of simulation. ............................................................................. 135

Figure 6.11. Navigation of one thousand robots after some time from the starting of the mission using rule‐based technique. ...................................................... 135

Figure 6.12. Environment for escaping from the dead ends before starting of the mission using rule‐based technique. ................................................................. 137

Figure 6.13. Environment for escaping from the dead ends after the robots reaches their targets using rule‐based technique. ........................................... 137

Figure 6.14. Two robots in a highly cluttered environment for finding the targets using rule‐based technique (Initial scenario). .................................................. 138

Figure 6.15. Recorded paths of two robots after reaching their target................. 138 Figure 6.16. Escape from dead ends by ten mobile robots using rule‐based‐neuro‐ 

fuzzy technique (Initial State). ........................................................................... 140 Figure 6.17. Escape from dead ends by fifteen mobile robots using rule‐based‐

neuro‐ fuzzy technique (Final State). ................................................................ 140 Figure 6.18. Navigation scenario of nine hundred ninety mobile robots using 

rule‐based‐neuro‐ fuzzy technique (Initial State)............................................ 141 Figure 6.19. Navigation of nine hundred ninety mobile robots using rule‐based‐

neuro‐ fuzzy technique (Intermediate State). .................................................. 141 Figure 6.20. Collision avoidance by two mobile robots using rule‐based‐neuro‐ 

fuzzy technique (Initial State). ........................................................................... 142 Figure 6.21. Collision avoidance between two mobile robots using rule‐based‐

neuro‐ fuzzy technique (Final State). ................................................................ 142 Figure 6.22. Experimental result for two mobile robots using rule‐based‐neuro‐

fuzzy technique (Initial stage). ........................................................................... 143 Figure 6.23. Experimental result for two mobile robots using rule‐based‐neuro‐

fuzzy technique (Intermediate stage ‐ one). ..................................................... 143 Figure 6.24. Experimental result for two mobile robots using rule‐based‐neuro‐

fuzzy technique (Intermediate stage ‐ two)...................................................... 144 Figure 6.25. Experimental result for two mobile robots using rule‐based‐neuro‐

fuzzy technique (Intermediate stage ‐ three). .................................................. 144 Figure 6.26. Experimental result for two mobile robots using rule‐based‐neuro‐

fuzzy technique (Final stage).............................................................................. 144 Figure 6.27. Environment for one robot and one target. ........................................ 146 Figure 6.28. Navigation path for one mobile robot to reach target using rule‐

based controller. ................................................................................................... 146

Page 22: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

xviii

Figure 6.29. Navigation path for one mobile robot to reach target using rule‐based‐neuro‐fuzzy controller. ............................................................................ 147

Figure 6.30. Experimental result of one robot using rule‐based‐neuro‐fuzzy technique (Initial stage). ...................................................................................... 148

Figure 6.31. Experimental result of one robot using rule‐based‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate stage ‐ I). ..................................................................... 149

Figure 6.32. Experimental result of one robot using rule‐based‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate stage ‐ II)..................................................................... 149

Figure 6.33. Experimental result of one robot using rule‐based‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate stage ‐ III). .................................................................. 149

Figure 6.34. Experimental result of one robot using rule‐based‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate stage ‐ IV). .................................................................. 150

Figure 6.35. Experimental result of one robot using rule‐based‐neuro‐fuzzy technique (Final stage)......................................................................................... 150

Figure 7.1. Location of target, robot and obstacles.................................................. 155 Figure 7.2. Total potential function. .......................................................................... 158 Figure 7.3. Front‐rear axis and Left‐right axis of the robot. ................................... 161 Figure 7.4. Contour plot for total potential field when the target is located at the 

(0, 0) along with three obstacles. ........................................................................ 162 Figure 7.5. Surface plot for total potential field when the target is located at the 

(0,0) along with three obstacles. ......................................................................... 162 Figure 7.6. Orthographic projection for total potential field when the target is 

located at the (0.5, 0.5) along with three obstacles. ......................................... 163 Figure 7.7. Axon metric representation for total potential field when the target is 

located at the (0.5, 0.5) along with three obstacles. ......................................... 163 Figure 7.8. Contour plot for total potential field when the target is located at the 

(0, 0) along with four obstacles. ......................................................................... 164 Figure 7.9. Surface plot for total potential field when the target is located at the 

(0,0) along with four obstacles. .......................................................................... 164 Figure 7.10. Orthographic projection for total potential field when the target is 

located at the (0.5, ‐ 0.5) along with four obstacles. ........................................ 165 Figure 7.11. Axon metric representation for total potential field when the target is 

located at the (0.5, ‐0.5) along with four obstacles. ......................................... 165 Figure 7.12. Potential‐field‐neuro‐fuzzy controller for navigation of mobile 

robots. .................................................................................................................... 167

Page 23: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

xix

Figure 7.13. Environment before starting of simulation when forty‐five robots involve to reach a target using potential field navigation technique. .......... 168

Figure 7.14. Environment after all the forty‐five robots reach the target using potential field navigation technique. ................................................................ 169

Figure 7.15. Escape from dead ends by ten mobile potential‐field‐neuro‐fuzzy technique (Initial State). ...................................................................................... 170

Figure 7.16. Escape from dead ends by fifteen mobile robots using potential‐field‐neuro‐fuzzy technique (Final State). ................................................................. 170

Figure 7.17. Navigation scenario of nine hundred ninety‐six mobile robots using potential‐field‐neuro‐fuzzy technique (Initial State). ..................................... 172

Figure 7.18. Navigation of one thousand mobile robots using potential‐field‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate State). ................................................... 172

Figure 7.19. Collision avoidance by two mobile robots using potential‐field‐neuro‐fuzzy technique (Initial State)................................................................. 173

Figure 7.20. Collision avoidance by two mobile robots using potential‐field‐neuro‐fuzzy technique (Final State). ................................................................. 173

Figure 7.21. Experimental result for two mobile robots using potential‐field‐neuro‐fuzzy technique (Initial stage). ............................................................... 174

Figure 7.22. Experimental result for two mobile robots using potential‐field‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate stage ‐ I). .............................................. 174

Figure 7.23. Experimental result for two mobile robots using potential‐field‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate stage ‐ II). ............................................. 175

Figure 7.24. Experimental result for two mobile robots using potential‐field‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate stage ‐ III)............................................. 175

Figure 7.25. Experimental result for two mobile robots using potential‐field‐neuro‐fuzzy technique (Final stage).................................................................. 175

Figure 7.26. Environment for one robot and one target. ........................................ 177 Figure 7.27. Navigation path for one mobile robot to reach target using neuro‐

fuzzy technique. ................................................................................................... 177 Figure 7.28 Navigation path for one mobile robot to reach target using potential 

field navigation technique. ................................................................................. 178 Figure 7.29. Navigation path for one mobile robot to reach target using potential‐

field‐neuro‐fuzzy technique. .............................................................................. 178 Figure 7.30. Experimental result for single mobile robot (Khepera II) using 

potential‐field‐neuro‐fuzzy technique (Initial stage)...................................... 180

Page 24: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

xx

Figure 7.31. Experimental result for single mobile robot (Khepera II) using potential‐field‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate stage ‐ I)..................... 180

Figure 7.32. Experimental result for single mobile robot (Khepera II) using potential‐field‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate stage ‐ II). .................. 181

Figure 7.33. Experimental result for single mobile robot (Khepera II) using potential‐field‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate stage ‐ III). ................. 181

Figure 7.34. Experimental result for single mobile robot (Khepera II) using potential‐field‐neuro‐fuzzy technique (Final stage). ...................................... 181

Figure 7.35. Target seeking by three mobile robots by using potential‐field‐neuro‐fuzzy technique (Initial scenario). ..................................................................... 182

Figure 7.36. Target seeking by three mobile robots by using potential‐field‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate scenario ‐ I)...................................................... 183

Figure 7.37. Target seeking by three mobile robots by using potential‐field‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate scenario ‐ II). ................................................... 183

Figure 7.38. All the three mobile robots reach the target by using potential‐field‐neuro‐fuzzy technique. ....................................................................................... 183

Figure 8.1. The structure of the simulated annealing algorithm........................... 188 Figure 8.2. The Potential Function............................................................................. 189 Figure 8.3. Path‐planning algorithm. ........................................................................ 191 Figure 8.4. Initialisation algorithm. ........................................................................... 192 Figure 8.5. Potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy controller for 

navigation of mobile robots................................................................................ 194 Figure 8.6. Inter robot collision avoidance using potential‐field‐simulated‐

annealing‐neuro‐fuzzy technique (Initial scenario). ....................................... 195 Figure 8.7. Inter robot collision avoidance using potential‐field‐simulated‐

annealing‐neuro‐fuzzy technique (Final scenario).......................................... 196 Figure 8.8. Experimental result for two mobile robots (Khepera II and Boe‐bot) 

using potential‐field‐ simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Initial stage). ..................................................................................................................... 197

Figure 8.9. Experimental result for two mobile robots using potential‐field‐ simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate stage ‐ I). ........ 197

Figure 8.10. Experimental result for two mobile robots using potential‐field‐ simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate stage ‐ II). ....... 197

Figure 8.11. Experimental result for two mobile robots using potential‐field‐ simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate stage ‐ III)....... 198

Page 25: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

xxi

Figure 8.12. Experimental result for two mobile robots (Khepera II and Boe‐bot) using potential‐field‐ simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Final stage). ..................................................................................................................... 198

Figure 8.13. Escape from of dead ends by using potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Initial scenario). ....................................... 199

Figure 8.14. Escape from dead ends by using potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Final scenario).......................................... 199

Figure 8.15. Scenario for navigation of one thousand mobile robots before simulation by using potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique. .............................................................................................................. 200

Figure 8.16. Scenario for navigation of one thousand mobile robots by using potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique after sometime when simulation started. .................................................................................... 201

Figure 8.17. Environment for one robot and one target. ........................................ 203 Figure 8.18. Navigation path for one mobile robot to reach target using rule‐

based‐neuro‐fuzzy technique. ............................................................................ 203 Figure 8.19. Navigation path for one mobile robot to reach target using potential‐

field‐neuro‐fuzzy technique. .............................................................................. 204 Figure 8.20. Navigation path for one mobile robot to reach target using potential‐

field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique. ........................................ 204 Figure 8.21. Experimental result for one mobile robot (Khepera II) using 

potential‐field‐ simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Initial stage).................................................................................................................................. 206

Figure 8.22. Experimental result for one mobile robot using potential‐field‐ simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate stage – I). ........ 207

Figure 8.23. Experimental result for one mobile robot using potential‐field‐ simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate stage – II). ...... 207

Figure 8.24. Experimental result for one mobile robot (Khepera II) using potential‐field‐ simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Final stage). 207

Figure 8.25. Collision avoidance by three mobile robots using potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Initial State). .......................... 208

Figure 8.26. Collision avoidance by three mobile robots using potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate State ‐ I). ......... 208

Figure 8.27. Collision avoidance by three mobile robots using potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate State ‐ II)......... 209

Page 26: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

xxii

Figure 8.28. Collision avoidance by three mobile robots using potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate State ‐ III). ...... 209

Figure 8.29. Collision avoidance by three robots using potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique after all the robots reaches the target. ... 209

Figure 8.30. Target seeking by three mobile robots using potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Initial scenario). .................... 210

Figure 8.31. Target seeking by three mobile robots using potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate scenario ‐ I). ... 210

Figure 8.32. Target seeking by three mobile robots using potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate scenario ‐ II)... 210

Figure 8.33. Target seeking by three mobile robots using potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate scenario ‐ III). 211

Figure 8.34. All the three mobile robots reach the target by using potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique................................................... 211

Figure 8.35. Target seeking by three mobile robots with two targets in the environment using potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Initial scenario). ................................................................................ 212

Figure 8.36. Target seeking by three mobile robots with two targets in the environment using potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate scenario ‐ I). ............................................................... 212

Figure 8.37. Target seeking by three mobile robots with two targets in the environment using potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate scenario ‐ II). .............................................................. 213

Figure 8.38. Target seeking by three mobile robots with two targets in the environment using potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Final scenario). .................................................................................. 213

Figure 8.39. Navigation of four mobile robots in a cluttered environment using potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Initial Scenario).................................................................................................................................. 214

Figure 8.40. Navigation of four mobile robots using potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate Scenario ‐ I)....................... 214

Figure 8.41. Navigation of four mobile robots using potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate Scenario ‐ II). .................... 214

Figure a.1. Obstacles. ................................................................................................... 220 Figure a.2. Fifteen mobile robots. .............................................................................. 220

Page 27: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

xxiii

Figure a.3. View of the software (ROBOPATH) front‐end user for navigation of multiple mobile robots. ....................................................................................... 221

Figure b.1. A simple Petri Net model........................................................................ 225 Figure b.2. A simple firing example using Petri Net model. ................................. 227 Figure c.1. Khepera  II robot. ...................................................................................... 230 Figure c.2. Boe‐Bot robot. ............................................................................................ 231 Figure c.3. Hemisson Robot. ....................................................................................... 232 Figure c.4. Koala Robot ............................................................................................... 233 Figure d.1. The main window of See5....................................................................... 238 Figure d.2. The Main dialog box. ............................................................................... 238

Page 28: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

xxiv

List of Symbols

∨ = Aggregate (Union) 

Λ = Minimum (Intersection) 

∀ = For all 

α  i  = A positive scaling factor  

desireθ  = Desire output from the neural network  

actualθ  = Actual output from the neural network  

µ = Fuzzy membership function 

0 =ρ Positive constant denoting influences of the obstacle on the robot 

( )ρiobs  q , q   = The minimum distance from the robot ‘q’ to the obstacle 

ω = Angular velocity of the wheeled mobile robot 

lω = Angular velocity of the left driving wheel 

rω = Angular velocity of the right driving wheel 

Al = Point of contact of the left driving wheel 

Ar = Point of contact of the right driving wheel  

B = Wheel base of the mobile robot 

C = Centroid of the  mobile robot 

d = Distance between C and M 

[ ]11d  = Left obstacle distance from the robot    

[ ]12d  = Front obstacle distance from the robot      

[ ]13d  = Right obstacle distance from the robot  

Page 29: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

xxv

E = Objective function 

( )attF x = The attractive potential force 

FD = frontdist = Front obstacle distance 

FLC = Fuzzy Logic Controller 

( )rep iF   obs = The repulsive potential force 

HA = Target angle = Heading angle 

i = 1 to n, n is number of obstacles 

LD = leftdist = Left obstacle distance 

LV  = leftvelo = Left wheel velocity of a robot 

M = Mid‐point of the rear wheel base 

Med = Medium 

Negative = Left Turn 

OA = Obstacle Avoidance 

P = Instantaneous center  

Positive = Right Turn 

q = [x, y] = The robots position in the workspace 

r = Radius of the two rear drive wheel 

RD = rightdist = Right obstacle distance 

RV = rightvelo = Right wheel velocity of a robot 

T = Control parameter  

TS = Target Seeking 

[ ]11t  = Target Angle (Angle of the robot w.r.t. target)     

Page 30: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

xxvi

( )attU q = The attractive potential function for robot with respect to target 

( )rep iU   obs = The repulsive potential function for robot with respect to obstacle 

TotalU   = Total potential influences on the robot 

V = Translation velocity of a mobile robot 

vel = velocity 

Vl = Left real wheel driving velocity  

Vr = Right real wheel driving velocity 

VF = Very Fast 

VN = Very Near  

VS = Very Slow 

WMR = Wheeled mobile robot  

 

 

 

 

 

 

Page 31: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

1

1 Introduction This chapter gives an overview of the research work reported in this thesis. First, 

the  background  of  the  research  and  the  chosen problem domain  are  outlined. 

Then, the objectives of this research work are described. Finally, an outline of the 

thesis contents is provided. 

1.1 Background

The most significant challenges confronting autonomous robotics  lie  in the area 

of  automatic  motion  planning.  Navigation  of  mobile  robots  in  dynamic 

environments  needs  to  cope  up with  large  amounts  of  uncertainties  that  are 

inherited  from  natural  environments.  Thus  navigation  of mobile  robots  deals 

with large spectrum of different technologies and applications. It draws on some 

primitive techniques, as well as some of the most advanced technique.  

Investigations  in  the  field  of  navigation  of  mobile  robot  gained  an 

extensive  interest among  the  researchers  since  last  two decades. This  is  chiefly 

due  to  the necessity  to replace human  intervention  in dangerous environments 

(e.g. nuclear, space, military mission, harmful material handling,  interplanetary 

explorations  etc.)  or  to develop  a  helpful  automated device  for  some  classical 

tasks (e.g. cleaning, supervision, carriage, etc.). In today’s flexible manufacturing 

system environment, the autonomous mobile robot plays a very important role. 

It  is  used  to  transport  the  parts  from  one workstation  to  others,  load  unload 

parts, remove any undesired objects from floors, and so on. Without autonomous 

mobile robot, the work stations, the CNC machines, machining centers will only 

be scattered and isolated machine tools and they will never become the part of an 

automated  manufacturing  system.  It  is  the  mobile  robot  that  connects  the 

scattered  machine  tools  into  an  integrated  and  coordinated  unit,  which  can 

Page 32: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

2

continuously, automatically and at a low cost, manufacture a variety of parts. So 

mobile  robot  navigation  encompasses  a  number  of  skills,  from  high‐level 

capabilities  such  as  exploring  the  surrounding  environment,  building  a  global 

map  of  the  environment  and  planning  a  path  towards  a  specific  goal,  to  the 

execution of elementary  low  level action  like avoiding collisions with obstacles. 

Numerous  methods  have  been  proposed,  however,  they  don’t  guarantee  a 

solution for the mission because of deadlock problem occurrences. The reason is 

that the robot does not have a high‐level map reading ability.  

The goal of autonomous mobile robotics is to build physical systems that 

can  navigate  purposefully  and  without  human  intervention  in  cluttered 

unknown environments. The development of  techniques  for autonomous robot 

navigation  is one of  the major  focusing areas  in  the  current  investigation. This 

trend is motivated by the current gap between the available technology and the 

new application demands, e.g., the current industrial robots have low flexibility 

in autonomy. These robots perform pre‐programmed sequences of operation  in 

highly  constrained  environment  and  are  not  able  to  operate  in  new 

environments.  

   Autonomous  navigation  systems  are  usually  classified  in  the  following 

categories according to the characteristics of the environment in which they have 

to move:  i)  structured  or  known  environment,  ii)  semi  structured  or  partially 

known environment and iii) unstructured or unknown environments.  

Another classical way is to send the robot to discover its world and define 

some landmarks that can be used for navigation. In similar conditions, the robot 

relies  heavily  on  its  sensors,  map  making  and  updating.  However,  natural 

workspaces  present  a  large  amount  of  uncertainties  and mapping  techniques. 

These  are  time  and  memory  consuming.  Hence  the  need  of  an  intelligent 

Page 33: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

3

approach  such  as  soft  computing  techniques  can  cope  with  all  uncertainties 

present  in  the  environment.  Soft  computing  techniques  involve  computations 

related  to  neural network,  fuzzy  logic  technique,  genetic  algorithm,  simulated 

annealing  and others. Researchers and practitioners are  finding  these methods 

increasingly useful in various problem domains, not only they are new but also 

they have  inherent capabilities of handling  imprecision and uncertainty with a 

reasonable amount of computational complexity. Details of their work are cited 

in the literature survey. 

One  of  the  earliest  mobile  robots  being  Shakey,  a  vision‐guided 

autonomous mobile machine designed at Stanford Institute in 1966 [1]. Research 

works have concentrated on the control of  individual mobile robots. Within the 

last decade, there has been an interest among the scientists and researchers to co‐

ordinate multiple mobile robots. This  interest has stemmed both  from practical 

considerations  such as multiple  robots are able  to handle  tasks  that  individual 

machine cannot do, for instance carrying large, bulky and heavy loads and desire 

to create artificial systems that mimic nature in particular by exhibiting some of 

the primary behaviours observed in human societies.

1.2 Aims and Objectives of this Research

The  overall  aim  of  this  research  is  to  explore  the  application  of  artificial 

intelligence  techniques  to navigate multiple mobile  robots.  In  this  thesis,  fuzzy 

logic,  neural  network,  rule‐based,  potential  field  navigation  and  simulated 

annealing  techniques  have  been  used  to  solve  mobile  robots  navigation 

problems.  In  particular,  the  research  aims  to  determine  whether  hybrid 

techniques  are  appropriate  for  implementing  as  navigational  algorithms  for 

multiple mobile robots. This type of investigation is justified in this thesis. 

Page 34: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

4

The main objectives of  the present work  for navigation of  the multiple mobile 

robots are: 

To compute the heading angle for the mobile robots in terms of left wheel 

velocity and right wheel velocity of the robot. 

To develop fuzzy logic techniques using different membership functions.  

To build up a neural network technique. 

To create a hybrid neuro–fuzzy technique. 

To develop rule‐base technique. 

To build a hybrid system of rule‐based‐neuro‐fuzzy technique. 

To develop an efficient potential field method. 

 To formulate a hybrid potential‐field‐neuro‐fuzzy technique. 

 To  develop  potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy  technique 

for avoidance of local minima during navigation. 

Simulation  and  experimental  verifications  of  the  above  outlined 

techniques are to be carried out. 

1.3 Outline of the Thesis

The thesis is divided into eight chapters. 

Following  the  introduction,  Chapter‐2  is  devoted  to  a  survey  of  the 

literature on mobile robot navigation. 

Chapter‐3 discusses kinematic analysis of mobile robots. 

Page 35: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

5

Chapter‐4  deals with  the  analysis  of  a  proposed  fuzzy  logic  technique 

with  three  types of membership functions  to navigate mobile robots  in a 

static as well as dynamic environment. 

The first part of Chapter‐5 describes a neural network  technique and  the 

second part deals with neuro‐fuzzy  technique  for navigation of multiple 

mobile robots. 

Chapter‐6 presents rule‐based techniques, starting with simple rule‐based 

navigation technique and concluding with an advanced rule‐based‐neuro‐

fuzzy technique. 

Chapter‐7 is divided into two sections. First section deals with navigation 

of mobile robots using potential field method. Second section discusses a 

hybrid technique i.e., potential‐field‐neuro‐fuzzy technique.  

Chapter‐8  confers about  the optimisation of potential  field method with 

use of  simulated annealing. Finally  the hybrid potential‐field‐simulated‐

annealing‐neuro‐fuzzy technique is used for navigation of mobile robots. 

In Chapter‐9 conclusions of  the research are summarized and scopes  for 

further work are suggested. 

 

 

 

 

 

 

Page 36: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

6

2 Literature Review

This  chapter  reviews  the  literature  in  the  area  of  mobile  robot  navigation, 

focusing on intelligent techniques for navigation control.

2.1 Introduction

A motion planner  is  an  essential  component of  a  robot  that  interacts with  the 

environment. Without  the motion planner, a human operator has  to constantly 

specify  the motion  for  the  robot. A  considerable  amount  of  research has  been 

done on  the development of efficient motion‐planning algorithms. The motion‐

planning problem has been solved in a theoretical sense for the general problem. 

Recently  the  coordinations  between mobile  robots  for  obstacle  avoidance  and 

target  seeking  are  carried  out  by  the  researchers  using  various methods.  Soft 

computing techniques such as fuzzy logic, neural network and genetic algorithm 

are  considered  for expressing  the  subjective uncertainties  in human mind. The 

ultimate  goal  of  mobile  robotics  research  is  to  endow  the  robots  with  high 

intellectual ability, of which navigation in an unknown environment is achieved 

by using on‐line  sensory  information. A  significant  amount of  research  efforts 

have been devoted  to  this area  in  the past decades  few of which are  reviewed 

below: 

2.2 Mobile Robot Navigation

Navigation of a robot is the control of motion from a start point to an end point 

in  a workspace  following  a  path  that  is  either  a  curve  or  a  series  of  jointed 

segments.  Many  researchers  in  the  area  of  mobile  robots  navigation  have 

developed  two key approaches. One  is  functional or horizontal decomposition 

Page 37: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

7

[2] (Figure 2.1) and the other is behavioural or vertical decomposition [3] (Figure 

2.2). The  former  approach  is  sequential  and  involves modelling  and planning. 

The latter approach is parallel and requires exploration and map building. Both 

approaches  use  many  distinct  sensory  inputs  and  computational  processes.  

Decisions such as left turn, right turn, run or stop are made on the basis of those 

inputs [4]. 

Levitt et al. [5] defined the aim of navigation control as providing answers 

to  the  following  three  questions:  (a) Where  am  I?  (b) Where  are  other  places 

relative  to me?  (c) How do  I get  to other places  from here? Question  (a)  is  the 

problem of identifying the current location. Questions (b) and (c) relate to avoid 

obstacles and move  towards  the  target. To address both  issues  a mobile  robot 

must have a way to perceive its environment. Some authors have proposed that 

use of single sensor (e.g., sonar,  laser, vision and  infrared) [6, 7, 8, 9, 10, 11, 12] 

where as others have recommended heterogeneous systems using different types 

of sensors [13, 14, 15]. 

Using  the  environment  information  perceived  at  each  instant  as well  as 

data from previous instants, a strategy should be pursued to enable the robot to 

reach its target position without colliding with obstacles. Researchers have used 

many  techniques  for  obstacle  avoidance  [16,  17,  18,  19].  These  techniques, 

together with the different sensors employed [20, 21] are reviewed below. 

 

 

 

 

Page 38: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure  2.1.  Flow  diagram  of  the  horizontal  decomposition  method  for  the navigation of a mobile robot. 

 

 

 

 

         SENSING 

      PERCEPTION 

MOTOR CONTROL 

      MODELLING 

       PLANNING 

     EXECUTION 

ENVIRONMENT

ACTION 

Page 39: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Figure  2.2.  Flow  diagram  of  the  vertical  decomposition  method  for  the navigation of a mobile robot. 

 

 

         SENSING           ACTION 

ENVIRONMENT

     BUILDING MAP

           EXPLORE

           WANDER

            AVOID

Page 40: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

10

2.3 Kinematic Analysis of Mobile Robots

2.3.1 Introduction

A  wheeled  mobile  robot  (WMR)  is  a  wheeled  vehicle,  which  is  capable  of 

autonomous motion.  An  increasing  interest  in mobile manipulators  observed 

recently  in  the  literature  has  two  sources:  first,  excellent  performance 

characteristics of mobile manipulators and second, challenging motion planning 

and control problems [22, 23, 24, 25, 26, 27]. 

2.3.2 Kinematic Analysis for Mobile Robot Navigation

Alexander  et  al.  [28]  have  developed  the  relationship  between  the  rigid  body 

motion of a robot and the steering and drive rates of wheels.  They have used the 

forward  and  inverse  kinematics  to  a  WMR  with  simple  wheels  that  is 

maneuvering  over  a  horizontal  plane.  Their  method  guarantees  that  rolling 

without skidding or sliding can occur in robot motion.  Muir et al. [29] have also 

developed  the motion of wheeled mobile  robots on  flat  terrain. Tsuchiya et al. 

[30] have discussed motion  control of a  two‐wheeled mobile  robot. They have 

designed a controller using kinematic model in which the wheels of the robot do 

not skid at all.  Mester [31] has dealt with the modelling and control strategies of 

the motion of wheeled mobile robots. The model of the vehicle has two driving 

wheels and its angular velocities are independently controlled. He has analysed 

the  vehicle  kinematics model  and  the  control  strategies  using  a  feed  forward 

compensator.  

Hwang  et  al.  [32]  have  surveyed  the work  on  gross‐motion  planning, 

including motion  planners  for  point  robots,  rigid  robots,  and manipulators  in 

stationary,  time‐varying,  constrained,  and movable‐object  environments.  They 

have explained general  issues  in motion planning. Chakraborty et al.  [33] have 

Page 41: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

11

studied  the  problem  of  kinematic  slip  for  mobile  robots  moving  on  uneven 

terrain. The simulation results of their developed technique show that the three‐

wheeled mobile robot with torus shaped wheels and passive joints can negotiate 

uneven terrain without slipping.  

2.4 Fuzzy Logic Technique

2.4.1 Introduction

Fuzzy control concepts are useful in both global and local path planning tasks for 

autonomous mobile objects. Humans have a remarkable capability to perform a 

wide variety of physical and mental task without any  explicit measurements or 

computations. Examples of  everyday  tasks are, driving in  city traffic, parking a 

car,  and  cleaning  of  house.  In  performing  such  familiar  tasks,  humans  use 

perceptions of time, distance, speed, shape, and other attributes of physical and 

mental objects. Perceptions are described by propositions drawn from a natural 

language,  in which  the boundaries of perceived classes are  fuzzy.    It  is  highly 

desirable  to  capture  the  expertise  of  a  human  mind  and  to  utilise  the 

knowledge to develop autonomous navigation strategies for mobile robots. Fuzzy 

logic provides a mean  towards accomplishing  this goal. Fuzzy  logic provides a 

formal  methodology  for  representing  and  implementing  the  human  expert’s 

heuristic  knowledge  and  perception‐base  actions.  Using  the  fuzzy  logic 

framework,  the  attributes  of  human  reasoning  and  decision‐making  can  be 

formulated  by  a  set  of  simple  and  intuitive  IF   (antecedent)–THEN  (consequent) 

rules, coupled with easily understandable and natural  linguistic representations.   

2.4.2 Fuzzy Logic Technique for Mobile Robot Navigation

The  automatic  motion‐planning  problem  in  robotics  and  computer  aided 

manufacturing has been  studied extensively. Although planning a  sequence of 

Page 42: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

12

motions  to bring  together parts  in a specific configuration has become essential 

for  several applications,  the  traditional  solutions  for path planning have  failed 

for  complicated  environments  as  they  result  computationally  infeasible  and 

restricted  to  their performance, Latombe  [34] and Fraichard  [35]. Motivated by 

Zadeh  [36]  and  explored by Mamdani  et  al.  [37]  and Kickert  et  al.  [38], many 

researchers have used  fuzzy  logic  techniques  successfully  in numerous  control 

systems such as control of mobile robot navigation. Examples of work relating to 

fuzzy logic for the navigation of mobile robot are described below: 

Lacroix et al. [39] have presented a complete autonomous system which is 

capable to perform autonomous navigation in a natural, unstructured and totally 

unknown  environment.  The  system  is  endowed  with  several  complex 

capabilities:  environment  modelling,  localization,  trajectory  planning  and 

exploring  strategies.  They  have  executed  the  navigation  behaviour  based  on 

terrain quality. The  terrain  is  classified  in  four distinct  categories:  flat, uneven, 

obstacle, and unknown. Goldberg et al. [40] and Sing et al. [41] have computed 

an analytical  traversability measure  for  the  terrain, based on stereo range data. 

Roll, pitch, and roughness of terrain cells are estimated from the viewable terrain 

image. Roll and pitch are calculated by using a least squares method to fit a plane 

to  the  range data, and  roughness  is  computed as  the  residual of  the  fit. These 

measures  are  normalized  in  the  range  of  [0,  1]  and  a  goodness  value  is 

determined, based on the minimum value of the three parameters. A path finder 

then evaluates the traversability along predetermined candidate paths by taking 

a weighted combination of the goodness and certainty values. Langer et al. [42] 

have  focused  on  the  development  of  a  navigation  system  that  generates 

recommendations for vehicle steering, based on the distribution of untraversable 

terrain regions. A   new   design   for   behaviour‐based navigation of field mobile 

Page 43: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

13

robots on challenging terrain using a fuzzy logic approach and a novel measure 

of terrain traversability have been developed by Seraji et al. [43]. 

Li  et  al.  [44]  have  designed  and  implemented  an  autonomous  car‐like 

mobile  robot  (CLMR)  control  system,  where  the  set  up  consists  of  the  host 

computer,  communication module, CLMR, and vision  system. They have used 

fuzzy garage‐parking control (FGPC) and fuzzy parallel‐parking control (FPPC) 

to control the steering angle of the CLMR. Li et al. [45] have used the concepts of 

car  maneuvers,  fuzzy  logic  control  (FLC),  and  sensor‐based  behaviours  to 

implement  the  human‐like  driving  skills  by  an  autonomous  car‐like  mobile 

robot. They  have  used  four  kinds  of  FLCs:  i)  fuzzy wall‐following  control,  ii) 

fuzzy  corner  control,  iii)  fuzzy  garage‐parking  control,  and  iv)  fuzzy  parallel‐

parking  control, which  are  synthesized  to  accomplish  the  autonomous  fuzzy 

behaviour control  (AFBC). They have presented computer simulation results  to 

illustrate  the effectiveness of  their proposed control schemes and demonstrated 

the feasibility in practical car maneuvers. Baturone et al. [46] have described the 

design  and  implementation of  a  fuzzy  control  system  for  car‐like  autonomous 

vehicle.  They  have  addressed  problem  for  diagonal  parking  in  a  constrained 

motion. Ohkita M. et al. [47] have controlled an autonomous mobile robot for the 

flush parking. They have used fuzzy rules those are derived from the modelling 

driving  actions  of  a  car.  Zhao  et  al.  [48]  have  developed  and  experimentally 

demonstrated  a  robust  automatic  parallel  parking  algorithm  for  parking  in 

compact spaces. They have designed novel fuzzy  logic controllers for each step 

of the maneuvering process. The controllers are first demonstrated by simulation 

using the kinematic model of a skid steering autonomous ground vehicle (AGV). 

The drive  control of an autonomous mobile  robot  is a new approach  to 

recognize  and  adapt  to  the  surrounding  environment. Maeda  et  al.  [49]  have 

Page 44: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

14

developed  fuzzy  control  based  on  forecast  learning.  They  have  shown  their 

results in simulation as well as experiment mode to drive the control of the robot. 

An approach for building multi‐input and single‐output fuzzy models has been 

proposed  by  Joo  et  al.  [50].  They  have  applied  their  technique  to  construct  a 

fuzzy model  for  the navigation  control of  a mobile  robot. Montaner  et  al.  [51] 

have  designed  a  fuzzy  controller  for  autonomous mobile  robot  navigation  to 

reduce the travel time from an initial to final position. Their technique was used 

on an experimental mobile robot, which uses a set of seven ultrasonic sensors to 

perceive  the environment. Simulation and experimental  results  show  that  their 

method can be used satisfactorily on a mobile robot moving on unknown static 

terrains. An  evolutionary  learning  of  robot  behaviours  has  been  designed  by 

Iwakoshi et al. [52] for Fuzzy Classifier System (FCS). They have presented eight 

different conditions in simulation to validate their technique.   Li et al. [53] have 

designed  a  real‐time  fuzzy  target  tracking  control  scheme  for  autonomous 

mobile robot by using infrared sensors. They have used infrared transmitters on 

the  target and reflective sensors on  the  tracker mobile robot  for  target  tracking 

control. They have  shown  their  results  in  simulation mode. Xu et al.  [54] have 

presented  real‐time  fuzzy  reactive  control  for  automatic  navigation  of  an 

intelligent mobile robot in an unknown and changing environment. The reactive 

rule  base  governing  the  robot  behaviour  is  synthesized  corresponding  to  the 

various situations defined by  the  instant robot motion, environment and  target 

information. Simulation  results have been presented by  the authors  to validate 

their  approach. Their  techniques have not been  investigated  for  target  seeking 

and multiple mobile robot navigation. 

A navigation method was designed  by Toda  et  al.  [55], which  employs 

sonar‐based mapping of crop rows and fuzzy logic technique to control steering 

Page 45: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

15

for  a wheeled mobile  robot  in  an  agricultural  environment.    The  problem  of 

motion  and  control  law  design  for  a  mobile  robot  have  been  developed  by 

Rigatos et al. [56] for a partially unknown environment with stationary obstacles 

and moving objects. The authors have established the stability of their proposed 

method. Das et al. [57] have assumed a control structure that makes possible the 

integration  of  a  kinematic  controller  and  an  adaptive  fuzzy  controller  for 

trajectory  tracking  for  nonholonomic  mobile  robots.  The  system  uncertainty, 

which includes mobile robot parameter variation and unknown nonlinearities, is 

estimated by a fuzzy logic system (FLS). The real‐time control of mobile robots is 

achieved through the online tuning of FLS parameters. Computer simulations as 

well as experimental results are presented which confirm the effectiveness of the 

proposed tracking control law. Lee et al. [58] have proposed a fuzzy algorithm to 

navigate a mobile robot from a given initial to a desired final configuration in an 

unknown environment filled with obstacles. The mobile robot  is equipped with 

an  electronic  compass  and  two  optical  encoders  for  dead‐reckoning,  and  two 

ultrasonic modules  for  self‐localization and environment  recognition. From  the 

readings of sensors at every sampling instant, the proposed fuzzy algorithm will 

determine the priorities of thirteen possible heading directions. Then the robot is 

driven to an intermediate configuration along the heading direction that has the 

highest priority. The navigation procedure will be  iterated until a collision‐free 

path  between  the  initial  and  the  final  configurations  is  found.  To  show  the 

feasibility  of  the  proposed  method,  in  addition  to  computer  simulation, 

experimental  results are also demonstrated by  the authors. An extensive  fuzzy 

behaviour‐based  architecture  for  the  control  of mobile  robots  in  a multiagent 

environment has been formulated by Vadakkepat et al. [59]. The architecture  is 

implemented  on  a  team  of  three  soccer  robots  performing  different  roles 

interchangeably.  

Page 46: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

16

Yang  et  al.  [60]  have  studied  the  goal‐unreachable  problems  found  in 

fuzzy  logic‐based  algorithms  for  mobile  robot  navigation  systems.  Two 

algorithms  based  on  sensory  information  are  developed  to  address  problems 

with Goal‐Unreachable with Large Obstacles  (GUWLO)  and Goal‐Unreachable 

with  Nearby  Obstacles  (GUWNO).  The  GUWLO  problem  occurs  when  the 

absolute value of the target angle is large and the directions to the left (or right) 

are  completely blocked. The GUWNO problem  arises because of  the  repulsive 

influence  from  obstacles  close  to  the  goal  position.  They  have  presented 

experimental  results  to  demonstrate  the  effectiveness  of  the  resulting  fuzzy 

navigation system and  its  improved performance over conventional fuzzy  logic 

navigation algorithms. Kodagoda et al. [61] have proposed a control structure for 

uncoupled  longitudinal  and  lateral  control  of  an  autonomous  guided  vehicle. 

Longitudinal  control  is  achieved  via  two  uncoupled  fuzzy  controllers,  viz.,  a 

fuzzy drive controller and a fuzzy braking controller switched appropriately by a 

supervisory controller. Fukuda et al. [62] have proposed an integrated structure 

for  intelligent  robotic  systems based on  a  fuzzy  controller. They have  focused 

mainly on the perception capability based on the sensory network. Castellano et 

al.  [63, 64] have presented  two methods  for automatically extracting  the  set of 

fuzzy rules  for a reactive  fuzzy controller  from examples supplied by a human 

operator executing  the same  task. They have applied  their  technique  to build a 

reactive wall‐follower for navigation of a TRC Labmate mobile robot. Benreguieg 

et  al.  [65]  have  used  navigator  having  two  fuzzy  controllers,  one  is  angular 

another is linear speed. Their navigation function consists of obstacle avoidance 

and  reacts  with  the  shortest  response  time.  They  have  demonstrated  their 

techniques on two distinct autonomous mobile robots. Goodridge et al. [66] have 

presented modular fuzzy control architecture and an inference engine, which are 

used to control in complex systems. They have successfully used a multilayered 

Page 47: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

17

fuzzy behaviour fusion based reactive control system on an autonomous mobile 

robot,  MARGE.  Miyata  et  al.  [67]  have  utilised  fuzzy  control  theory  for 

controlling  an  autonomous  mobile  robot  for  a  parallel  parking.  They  have 

reduced the dead angle of their mobile robot DREAM‐1 for parallel parking. Yen 

et al.  [68] have used fuzzy  logic  to extend Payton and Rosenblatt’s behavioural 

architecture  for  mobile  robot  control.  By  using  fuzzy  rules  in  Payton  and 

Rosenblatt’s  behaviours  the mobile  robot  controller  became  simple,  extensible 

and  understandable  and  can  cope  up with  unknown  obstacles  in  a  dynamic 

environment. A  sensor‐based  navigation method  utilising  the  fuzzy  logic  and 

reinforcement  learning  has  been  presented  by  Beom  et  al.  [69]  for  complex 

environments. They have shown effectiveness of their method with a force field 

method. Their proposed method enables  the mobile  robot  to navigate  through 

complex  environment where  a  local minimum  is present. Beaufrere  et  al.  [70] 

have  solved  the  problem  of  navigation  for  a  single mobile  robot  in  a  totally 

unknown  environment  using  fuzzy  logic.  They  have  shown  their  results  in 

simulation as well as in experimental validation on a single mobile robot.  

Fu et al. [71] have described about autonomous mobile robot navigating in 

an unknown environment. The difficulty  is avoiding unexpected objects on  its 

way  to  the  goal.  They  have  presented  a  new  parallel  double‐layered  fuzzy 

control system  for an autonomous mobile  to avoid static or dynamic objects  in 

uncertain environments. They have shown simulation and experimental results 

on  the  actual  robot  so  that  the proposed method  can  be  efficiently  applied  to 

robot  navigation  in  complex  and  unknown  environment.  A  fuzzy  temporal 

control system for the guidance of a robot in landmark detection and simulated 

dynamic environments has been described by Carinena et al. [72] and Mucientes 

et al. [73].   By using their technique the moving object approaching the robot  is 

Page 48: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

18

not  subjected  to  any  type of  restriction  in  its movements,  and  able  to vary  its 

velocity and direction at any moment. A fuzzy  logic‐based real‐time navigation 

controller  is  described  by  Liu  et  al.  [74].  Their  controller  combines  the  path 

planning and trajectory following as an integrated and coordinated unit so that it 

executes tasks such as docking and obstacle avoidance on‐line. Pratihar et al. [75] 

have  developed  a  collision‐free  path  for  multiple  robots  using  genetic‐fuzzy 

systems. 

Aguirre et al. [76] have briefly presented  the architecture  that  is focused on the 

design,  coordination and  fusion of  the elementary behaviours. The design was 

based on regulatory control using fuzzy  logic control and  the coordination was 

defined  by  fuzzy  rules.  Tanaka  et  al.  [77]  have  presented  backing  control  of 

computer‐simulated mobile robots with multiple trailers by fuzzy modelling and 

control. They have dealt with two types of robots: one robot having five trailers 

and the other with ten trailers. They have used Takagi‐Sugeno fuzzy model for 

control  of  robots. Demirli  et  al.  [78] have  introduced  a new  fuzzy  logic‐based 

approach for dynamic  localization of mobile robots. They have used sonar data 

collected  from a  ring of  sonar  sensors mounted around  the  robot. The angular 

uncertainty  and  radial  imprecision  of  sonar  data  are modelled  by  possibility 

distributions.  Combining  information  from  adjacent  sensors  reduces  the 

uncertainty  in sonar readings. The reduced models of uncertainties are used  to 

construct  a  local  fuzzy  composite  map  of  the  environment.  The  local  fuzzy 

composite map  is  fitted  to  the given global map of  the environment  to  identify 

robot’s location. Their proposed algorithm is implemented on a mobile robot and 

the results are reported. Mucientes et al. [79] have designed an automated fuzzy 

controller using genetic algorithms for the implementation of the wall‐following 

behaviour  in  a  mobile  robot.  The  algorithm  is  based  on  the  Iterative  Rule 

Page 49: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

19

Learning  (IRL)  approach. Their  technique has no  restrictions placed neither  in 

the  number  of  linguistic  labels  nor  in  the  values  that  define  the membership 

functions. Khatib et al. [80] have used a data‐driven fuzzy approach for solving 

the  motion‐planning  problem  of  a  mobile  robot  in  the  presence  of  moving 

obstacles. The approach consists of devising a general method for the derivation 

of input–output data to construct a fuzzy logic controller (FLC) off‐line. The FLC 

is constructed based on the use of previously developed data, which can be used 

on‐line by  the robot to navigate among moving obstacles. They have compared 

their results with those obtained by fuzzy‐genetic and another hybrid and data‐

driven  design.  Abdessemed  et  al.  [81]  have  presented  the  theoretical 

development of a complete navigation problem of an autonomous mobile robot. 

The situation for which the vehicle tries to reach the endpoint is treated using a 

fuzzy logic controller. They have solved the problem of extracting the optimised 

IF–THEN rule by using an evolutionary algorithm. They have developed a new 

approach based on  fuzzy concepts  to avoid any collision with  the surrounding 

environment  when  the  latter  becomes  relatively  complex.  Simulation  results 

show  that  the  designed  fuzzy  controller  achieves  effectively  any  movement 

control  of  the  vehicle  from  its  current  position  to  its  target  and without  any 

collision. Godjevec  [82]  has  outlined  some  linguistic  rules  for  navigation  of  a 

mobile  robot. He  used  fuzzy  logic  technique  to  implement  the  rules. He  has 

shown  numerical  examples  for  the  navigation  of  a  single mobile  robot  in  a 

simple environment condition.  

 

 

 

 

Page 50: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

20

2.5 Neural Network Technique

2.5.1 Introduction

A neural network  is a parallel‐distributed processor  comprising  several  simple 

computational units known as neurons [84]. 

Figure 2.3  shows  the model of a neuron. A neuron model can be  identified by 

three basic elements. 

 

 Figure 2.3. Model of a neuron.

A set of synapses or connecting links, each of which is characterised by a 

weight  or  strength  of  its  own.  Specifically,  a  signal  xj  at  the  input  of 

synapse ‘j’ connected to neuron ‘k’ is multiplied by synaptic weight wkj. 

An adder for summing the input signals after they have been weighted by 

the respective synapses of the neuron. 

An activation function is used for transforming the result of the adder and 

limiting  the  amplitude  of  the  output  of  a  neuron.  Generally,  the 

Wk

Wk1 

Wk2 

∑ ( )ϕ ⋅

X1 

kyku

X2 

Xp 

Output 

Activation function 

Summing junction 

Input Signals 

Page 51: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

21

normalized  amplitude  range  of  the  output  of  a  neuron  is  given  as  the 

closed unit interval [0, 1] or alternatively [‐1, 1]. 

In mathematical terms, the following pair of equations can describe the operation 

of a neuron ‘k’: 

p

k kj jj = 1

u = w x∑                 (2.1) 

( )k ky = uϕ                 (2.2) 

Where  1 2 px , x ,........, x   are  the  input  signals,  p  is  the  number  of  input  signals, 

k1 k2 kpw , w ,.............., w are the synaptic weights of neuron ‘k’,  ( )ϕ ⋅ is the activation 

function and  ky is the output signal of the neuron. 

The activation function, denoted by ( )ϕ ⋅ , defines the output of a neuron in terms 

of  the activity  level at  its  input. Three  types of activation  functions, which are 

commonly used, are shown in Figure 2.4. 

A neural network resembles the brain in two respects: 

i) Knowledge is acquired by the network through a learning process. 

ii) Inter‐neuron connection strengths known as synaptic weights are used 

to store the knowledge. 

The  procedure  used  to  perform  learning  is  called  a  learning  algorithm,  the 

function of which is to modify the synaptic weights of the network in an orderly 

fashion so as to attain a desired design objective.  

The use of neural networks offers the following useful properties: 

In a neural network, modification of  the  synaptic weights and  therefore 

learning  can  be  carried  out  with  training  examples.  In  most  cases,  a 

Page 52: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

22

training set is repeatedly presented to the neural network and the synaptic 

weights  of  the  network  are modified  so  as  to minimise  the  difference 

between  the  desired  response  and  the  actual  response  (in  the  case  of 

supervised learning), or until the output of the network has stabilised (in 

the case of unsupervised learning).  

A neural network  trained  to operate  in  a  specific  environment  can deal 

with  minor  changes  in  the  operating  environmental  conditions.  Thus, 

neural networks are said to have the ability to generalise. 

A neural network has  the potential  to be  inherently  fault  tolerant  in  the 

sense  that  its  performance  tends  to  degrade  slowly  under  adverse 

operating conditions [85]. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 53: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Figure 2.4. Three common activation functions. 

( )ϕ v  = 

≥1               if v  0

0               if v < 0

a) Threshold function 

(0,0) v

(0,1) ( )ϕ v

( )ϕ v

(-0.5,0) (0,0) (0.5,0) v

( )ϕ v

(0,1)

( )ϕ v  =

+

11                    if v   2

1 ‐1v 0.5           if   > v > 2 2

‐10                    if v   2

b) Ramping function 

(0,1)

(0,0.5)

(0,0) v

( )( )

ϕ 1v  = 1 + exp ‐v

c) Sigmoid function 

Page 54: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

24

2.5.2 Neural Network Technique for Mobile Robot Navigation

Many researchers have used neural networks for the navigation of mobile robots. 

Literatures related to their work are given in this section. 

Tani et al. [86, 87, 88, 89] have discussed a novel scheme for sensory‐based 

navigation of  a mobile  robot using neural network. They have  formulated  the 

problem  of  goal‐directed  navigation  as  an  embedding  problem  of  dynamical 

systems. Millan  [90], Castellano et al.  [91], and Dubrawski et al.  [92] have used 

neural network for navigation of mobile system.    

Gu  et  al.  [93] have presented  a new path‐tracking  scheme  for  a  car‐like 

mobile robot based on neural predictive control. A multi‐layer back‐propagation 

neural  network  is  employed  to model  non‐linear  kinematics  of  the  robot. The 

neural predictive  control  for path  tracking  is  a model‐based predictive  control 

based on neural network modelling, which  can generate  its output  in  terms of 

the  robot  kinematics  and  a  desired  path.  The  multi‐layer  back‐propagation 

neural network is constructed by a wavelet orthogonal decomposition to form a 

wavelet  neural  network  that  can  overcome  the  problem  caused  by  the  local 

minima  when  training  the  neural  network.  They  have  provided  simulation 

results for the modelling and control to justify their proposed scheme. 

Yang  et  al.  [94,  95,  96] have proposed  an  efficient neural network method  for 

real‐time motion planning of a mobile robot and a multi‐joint robot manipulator 

with  safety  consideration  in  a  non‐stationary  environment.  The  optimal  robot 

motion they have planned through the dynamic neural activity landscape of the 

biologically  inspired  neural  network  without  any  prior  knowledge  of  the 

dynamic  environment  and without  any  learning procedures. The  effectiveness 

and the efficiency have been demonstrated through simulation and comparison 

studies.  A  step  towards  a  completely  automated  approach  to  mobile  robot 

Page 55: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

25

navigation was made by Ster  [97]. He has extended  the approach  to  learning a 

topological description of the environment with recurrent neural networks. In his 

extended approach, both the reactive behaviour and the criterion for the decision 

points are considered. Results of experiments conducted with a simulated mobile 

robot  equipped with  proximity  sensors  and  a  color  video  camera  shows  the 

applicability  of  their proposed  approach. Weber  et  al.  [98] have demonstrated 

that purely neural network based vision and control algorithms can successfully 

be  applied  to  a  real  robotic docking problem. They have presented  a  solution 

based  solely on neural networks: object  recognition  and  localisation  is  trained, 

motivated by  insights  from  the  lower visual  system. After  training  their  robot 

can  approach  the  table  at  the  correct  position  and  in  a  perpendicular  angle. 

Janglova [99] has dealt with a path planning and control of an autonomous robot, 

which move,  safely  in  partially  structured  environment.  They  have  described 

their approach for solving the motion‐planning problem in mobile robot control 

using  neural  network‐based  technique.  Their  method  of  the  constructing  a 

collision‐free  path  for moving  robot  among  obstacles  is  based  on  two  neural 

networks. The  first neural network  is used  to determine  the “free” space using 

ultrasound range finder data. The second neural network “finds” a safe direction 

for the next robot section of the path in the workspace while avoiding the nearest 

obstacles.  He  presented  simulation  examples  of  generated  path  with  his 

proposed  technique. Lebedev  et  al.  [100] have proposed  a new  type  of neural 

network—the Dynamic Wave Expansion Neural Network (DWENN)—, which is 

capable of calculating dynamic distance potentials, useful for route generation in 

time‐varying environments. For the DWENN model, no priori knowledge of the 

environment  is  needed,  as well  as  no  learning  process  is  required  to  perform 

path generation. Since the network  is only  locally connected, the computational 

complexity grows  linearly  in the number of neurons  in the network field. Their 

Page 56: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

26

model  is parameter‐free, computationally efficient, and  its complexity does not 

explicitly depend on  the dimensionality of  the  configuration  space.  Saga  et  al. 

[101] have proposed a  self‐supervised  learning method. The  simulation  results 

proved  that  their  self‐supervised  learning  and  the  prediction  networks  are 

effective. Gaudiano et al.  [102] have  introduced a neural network mobile  robot 

controller (NETMORC). Their controller is based on previously developed neural 

network models  of  biological  sensory‐motor  control,  autonomously  learns  the 

forward  and  inverse  odometry  of  a  differential  drive  robot  through  an 

unsupervised learning‐by‐doing cycle. The controller is able to adapt in response 

to  long  term changes  in  the robot’s plant, such as a change  in  the radius of  the 

wheels. Fierro et al.  [103] have presented control  structure  that makes possible 

the  integration of a kinematic controller and a neural network (NN) computed‐

torque controller for nonholonomic mobile robots. A combined kinematic/torque 

control  law  is  developed  using  backstepping  and  stability  is  guaranteed  by 

Lyapunov  theory.  This  control  algorithm  is  applied  to  the  three  basic 

nonholonomic  navigation  problems:  tracking  a  reference  trajectory,  path 

following, and stabilization about a desired posture. Gutierrez‐Osuna et al. [104] 

have  presented  a  probabilistic  model  of  ultrasonic  range  sensors  using 

backpropagation  neural  networks  trained  on  experimental  data.  The  sensor 

model  provides  the  probability  of  detecting  mapped  obstacles  in  the 

environment, given their position and orientation relative to the transducer. The 

detection probability  is used  to compute  the  location of an autonomous vehicle 

from  those obstacles  that are more  likely  to be detected. Their neural network 

model  is more  accurate  than  other  existing  approaches,  since  it  captures  the 

typical multilobal detection pattern  of ultrasonic  transducers. Their model  can 

help  a  robot  choose  the most  reliable geometric beacons  for  localization. They 

performed  two  experiments, which proved  the multilobal detection pattern  of 

Page 57: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

27

the  transducer. By modelling  the different  lobes,  their model  is more  accurate 

than Gaussian distributions. Barshan et al. [105] have investigated the processing 

of  sonar  signals using neural networks  for  robust differentiation of  commonly 

encountered  features  in  indoor  robot  environments.  Their  neural  network 

differentiates  more  targets  with  higher  accuracy,  improving  on  previously 

reported methods. They have used unsupervised  learning  algorithms  to make 

the  classification process more  robust  to  changes  in  environmental  conditions. 

Giaquinto et al.  [106] have presented a cellular neural network  (CNN)  for real‐

time stereo vision, useful as a passive optical range finder for autonomous robots 

and  vehicles.  They  have  reported  experimental  results  with  the  CNN 

demonstrating  the performance on  robot application. Kositsky et al.  [107] have 

used neural tissue to execute predetermined functions and developed a research 

tool,  which  includes  the  brainstem  of  a  lamprey  and  a  two‐wheeled  robot 

interconnected  in a  closed  loop. Quoy  et  al.  [108] have used dynamical neural 

networks based on  the neural  field  formalism  for  the control of a mobile robot. 

With  their  formulation  the robot able  to navigates  in an open environment and 

also plan a path for reaching a particular goal. The neural net based feed forward 

controller has been proposed by Koh  et  al.  [109]  and  applied  to  the  trajectory 

tracking  control  of  a mobile  robot.  Their  neural  network was  a multi‐layered 

structure consisting of four input nodes and two output nodes. They have shown 

their effectiveness of  their proposed control scheme  through simulation. Kar et 

al. [110] have described a simple neuron‐based adaptive controller for trajectory 

tracking  of  nonholonomic mobile  robots without  velocity measurements.  The 

controller  is  based  on  structural  knowledge  dynamics  of  the  robot  and  the 

odometric calculation of robot position only. They have taken the wheel actuator 

dynamics  into  account.  An  approximation  network  approximates  nonlinear 

function  involving  robot  dynamic  parameters  so  that  no  knowledge  of  those 

Page 58: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

28

parameters is required. The real‐time control of mobile robot is achieved through 

the on‐line learning of the approximation network. They have described both the 

simulation  and  experimental  results  in  detail.  Pal  et  al.  [111]  have  used  feed 

forward  neural  net  to  navigate  a  mobile  robot.  They  have  validated  their 

technique  in  simulation  as well  as  in  experimental mode. A motion  controller 

based  on  an  inverse  neural  network  controller  and  tracking  controller  using 

backstepping  technique was proposed by Zhang et al.  [112]. They have  shown 

experimental  results  on  a  low‐quality  mobile  robot  to  validate  the  neural 

network technique.  

2.5.3 Neuro-Fuzzy Technique for Mobile Robot Navigation

Fuzzy  logic  system promises an efficient way  for obstacle avoidance. They are 

able to treat uncertain and imprecise information; they make use of knowledge in 

the form of linguistic rules. Their drawbacks are caused mainly by the difficulty 

of defining accurate membership  functions and  lack of a  systematic procedure 

for  the  transformation  of  expert  knowledge  into  the  rule  base. However,  it  is 

difficult  to maintain  the  correctness,  consistency,  and  completeness  of  a  fuzzy 

rule  base  being  constructed  and  tuned  by  a  human  expert.  Reinforcement 

learning method is capable of learning the fuzzy rules automatically. However, it 

incurs heavy learning phase and may result in an insufficiently learned rule base 

due  to  the  curse  of dimensionality. Neural networks have  the  ability  to  learn. 

Therefore  supervised  learning method  is  used  to  determine  the membership 

functions for the input and output variables simultaneously. 

Marichal  et  al.  [113]  and Acosta  et  al.  [114]  have  proposed  a  neuro‐fuzzy 

strategy  to  drive  a  mobile  robot.  Their  approach  is  capable  of  extracting 

automatically the fuzzy rules and the membership functions in order to guide a 

mobile robot. The necessary information to obtain the fuzzy rules is provided by 

Page 59: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

29

a set of trajectories. These trajectories are obtained from a human guidance, such 

that the mobile robot avoids the different obstacles. Their proposed neuro‐fuzzy 

strategy  consists  of  a  three  layer  neural  network  along  with  a  competitive 

learning  algorithm. They have  implemented  their  technique  in  simulation  and 

obtained satisfactory results. Ma et al. [115] have presented a new fuzzy neural 

network  (FNN)  according  to  the  characteristic  of  the  self‐reaction  of  a mobile 

robot  in  an  unknown  environment.  Their  technique  can  be used  efficiently  to 

control a mobile robot based on different sensing information. Simulation results 

on the three DOF mobile robots demonstrated the advantages and the validity of 

their  proposed  method.  Lee  [116]  has  used  a  neural  network  for  behaviour 

decision controller. The  input of the neural network  is decided by the existence 

of other  robots and  the distance  from other  robots. The output determines  the 

directions in which the robot moves. The connection weight values of this neural 

network are encoded as genes, and the fitness individuals are determined using 

a  genetic  algorithm. The  fitness  values  imply how much  group  behaviours  fit 

adequately  to  the goal and can express group behaviours. They have validated 

the system through simulation.  

Er et al.  [117,118] have used Generalized Dynamic Fuzzy Neural Networks 

(GDFNN) based  controller  successfully  implemented on  the Khepera  II mobile 

robot. By virtue of  the GDFNN  learning algorithm, not only  the parameters of 

the controller can be adjusted, but also the structure of the controller can be self‐

adaptive.  The  experiment  shows  that  the  developed  controller  has  a 

parsimonious  structure  and  the  performance  of  the  system  is  superior  to  the 

conventional  fuzzy  logic  approach. Hui  et  al.  [119]  have  developed  a Neuro‐

fuzzy  technique  to  determine  time‐optimal,  collision‐free  path  of  a  car  like 

mobile  robot  navigating  in  a  dynamic  environment.  A  fuzzy  logic  controller 

(FLC) is used to control the robot and the performance of the FLC is improved by 

Page 60: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

30

using  three different Neuro‐Fuzzy  (NN‐FLC) approaches. The performances of 

these Neuro‐Fuzzy approaches are compared among themselves and with those 

of three other approaches, such as default behaviour, manually‐ constructed FLC 

and potential field method, through computer simulations.  Watanabe et al. [120, 

121]  have  described  a  fuzzy‐Gaussian  neural  network  (FGNN)  controller  by 

applying a Gaussian  function as an activation  function. They use a  specialized 

learning architecture  so  that membership  function  can be  tuned without using 

expert’s  manipulated  data.  The  effectiveness  of  their  proposed  method  is 

illustrated  by  performing  the  simulation  of  a  circular  or  square  trajectory 

tracking control. 

Ng  et  al.  [122]  have  applied  neural  integrated  fuzzy  controller  (NiF‐T)  to 

control the robot motion, steering angle, heading direction, and speed. They have 

used five rules to train the wall following NiF‐T, while nine rules are used for the 

hall centering. They have used  their architecture  to control a difficult nonlinear 

dynamic  problem.  Araujo  et  al.  [123]  have  applied  the  parti‐game  learning 

approach to navigate a mobile robot in unknown environments. Their approach 

based on  the application of  the  fuzzy ART neural architecture  for sensor‐based 

on‐line  map  building.  They  have  shown  their  results  of  experiments 

demonstrated  the application of  the described methods  to  a  real mobile  robot. 

Moon  et  al.  [124] have presented  a novel block‐based neural network  (BBNN) 

model  and  its  application  to  pattern  classification  and  mobile  robot  control 

problems.  A  genetic  algorithm  simultaneously  optimises  the  structure  and 

weights of BBNN. Their optimised BBNN  is able  to solve practical problems as 

pattern classification and mobile  robot control. Ye et al.  [125] have presented a 

neural  fuzzy system with mixed  learning algorithm where supervised  learning 

method  is  used  to  determine  the  input  and  output  membership  functions 

Page 61: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

31

simultaneously and  reinforcement  learning algorithm  is  employed  to  fine  tune 

the output membership functions, therefore, a sufficient and efficient learning is 

achieved. From their performance algorithm, the following points are depicted: i) 

it is able to achieve a path reasonably close to the shortest path, ii) it has smooth 

motion,  and  iii)  it  is  very  robust  to  sensor  noise.  Pulasinghe  et  al.  [126]  have 

proposed a  fuzzy‐neural network methodology  for  controlling machines using 

spoken  language  commands  with  the  intention  of  i)  interpreting  natural 

language  words  with  fuzzy  implications  and  ii)  screening  out‐of‐vocabulary 

words, which gives the ability to converse freely without restrictions. Cavalcanti 

et al.  [127] have applied genetic algorithms, neural networks, and nanorobotics 

concepts to the problem of control design for nanoassembly automation and  its 

application  in  medicine.  They  have  elaborated  and  simulated  a  virtual 

environment focused on control automation for nanorobotics teams that perform 

a large range of tasks and positional assembly manipulation in a complex three‐

dimensional workspace.  Ro  et  al.  [128]  have  proposed  a  neural‐fuzzy  hybrid 

control  approach  for  controlling  a mobile  robot  that  can  avoid  an unexpected 

obstacle  in  a  navigational  space.  They  have  used  neural  controller  for  global 

moving  information  in  the heuristically determined navigational  space. On  the 

other hand,  fuzzy controller  is used by  them  to adjust  the moving  information 

given  from  the  neural  controller.  Daxwanger  et  al.  [129]  have  presented  an 

approach  for  acquisition  and  transfer  of  an  experienced  driverʹs  skills  to  an 

automatic  parking  controller.  Their  controller  processes  the  visual  input 

information  from  a  video  sensor  and  generates  the  corresponding  steering 

commands.  They  have  used  fuzzy  hybrid  control  architecture  in  which  the 

controller  is  configured as a  combination of  an  artificial neural network  and a 

fuzzy  network. They  have  experimentally  validated  their  control  architectures 

with a mobile robot. Dubrawski et al. [130] have used Fuzzy‐ART self‐organizing 

Page 62: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

32

neural  classifier  to adaptive  categorization of  the perceptual  space of  a mobile 

robot. They have developed a learning system for reactive locomotion control in 

an  unknown,  cluttered  environment.  Experimental  results  show  that  their 

technique is efficient.  

Li  et  al.  [131]  has  presented  neuro‐fuzzy  systems  for  intelligent  robot 

navigation  and  control  under  uncertainty.  He  has  used  neural  network  to 

process  range  information  for  understanding  distribution  of  obstacles  in  local 

regions;  while  fuzzy  sets  and  fuzzy  rules  are  used  to  formulate  reactive 

behaviours  quantitatively  and  to  coordinate  conflicts  and  competitions  among 

multiple  behaviours  efficiently.  The  simulation  results  show  that,  using  his 

system, navigation performance in complex and unknown environments can be 

improved. Godjevac et al. [132] have discussed an adaptive fuzzy system which 

has been used successfully in a control system for robot obstacle avoidance and 

wall following. Then they have considered a radial basis function neural network 

and  shown  that  a modified  form  of  this  network  is  identical with  the  fuzzy 

controller.  This  is  similar  to  a  neuro‐fuzzy  controller.  They  have  presented 

numerical examples to demonstrate the validity of their approach to control of a 

mobile robot. Tunstel et al.  [133] have used  three hybrid  fuzzy control schemes 

for robotics applications. The first scheme concentrates on a control architecture, 

which  incorporates  fuzzy  logic  theory  into  the  framework of behaviour control 

for mobile robot navigation. The second scheme incorporates Genetic Algorithms 

in  a  learning  scheme  to  adapt  to  various  environmental  conditions.  The  third 

scheme  concentrates  on  a methodology  that  uses  a Neural Network  (NN)  to 

adapt  a  fuzzy  logic  controller  (FLC)  in manipulator  trajectory  following  tasks. 

Their proposed hybrid scheme has a learning mechanism by which it can adapt 

to changing operating conditions. Bourdon et al. [134] have presented solutions 

Page 63: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

33

by  using  Artificial  Intelligent  Techniques  (Fuzzy  Logic, Neural Networks)  to 

solve complex mobile robotics problems. They have validated  their approaches 

on real robots. Rusu et al. [135] have used a neuro‐fuzzy controller for controlling 

a  robot.  They  have  demonstrated  an  experimental  neuro‐fuzzy  controller  for 

sensor‐based mobile robot navigation in indoor environments. The autonomous 

mobile robot uses infrared and contact sensors for detecting targets and avoiding 

collisions.   Mbede et al.  [136] have used  intelligent motion control strategy  that 

makes possible  the  integration  of  fuzzy  obstacle  avoidance, multisensor‐based 

motions,  and  robust  recurrent  neural  network  control.  The  simulation  results, 

validate under real conditions, clearly demonstrate  that  their proposed strategy 

was  an  effective  approach.  Pratihar  et  al.  [137]  have  demonstrated  a  genetic‐

fuzzy  approach  for  solving  the motion‐planning problem of  a mobile  robot  in 

presence of moving obstacles. In the genetic‐fuzzy approach, obstacle free paths 

are found locally by using the fuzzy logic technique, where optimal scaling factor 

for condition and action variables are found using genetic algorithms. Hegazy et 

al.  [138]  have  presented  a  new  neuro‐fuzzy  controller  which  controls  the 

navigation system of a mobile robot to move safely in an unknown environment 

in presence of obstacles. Nefti  et  al.  [139] have dealt with  the  application of  a 

neuro‐fuzzy  inference  system  to  navigate  mobile  robot  in  an  unknown  or 

partially  known  environment.  They  have  considered  three  elementary  robot 

tasks: following a wall, avoiding an obstacle and running towards the goal. Each 

module  acts  as  a  Sugeno–Takagi  fuzzy  controller  where  the  inputs  are  the 

different sensor information and the output corresponds to the orientation of the 

robot. They have shown their results in experimental mode to navigate a mobile 

robot  in  unknown  or  partially  unknown  environment.  Tsoukalas  et  al.  [140] 

have  presented  a  neuro‐fuzzy  methodology  for  motion  planning  of  semi‐

autonomous mobile robots. Fuzzy descriptions are used for the robot to acquire a 

Page 64: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

34

repertoire  of  behaviours  from  an  instructor, which  it may  subsequently  refine 

and  recall  using  neural  adaptive  techniques.  Their  methodology  has  been 

successfully  tested with  a  simulated  robot  performing  a  variety  of  navigation 

tasks  travel  from  some  start  to  target  point without  colliding with  obstacles 

present  in  its  path. Althoefer  et  al.  [141]  have  reported  navigation  system  for 

robotic manipulators. Their control system combines a repelling influence related 

to  the  distance  between manipulator  and  nearby  obstacles with  the  attracting 

influence  produced  by  the  angular  difference  between  actual  and  final 

manipulator  configuration  to  generate  actuating motor  commands.  They  have 

used  fuzzy  logic  for  the  implementation  of  these  behaviours which  leads  to  a 

transparent  system  that  can be  tuned by hand or by a  learning algorithm. The 

proposed  learning  algorithm,  based  on  reinforcement  learning  neural network 

techniques,  can  adapt  the  navigator  to  the  idiosyncratic  requirements  of 

particular manipulators,  as well  as  the  environments  they  operated  in.  Their 

method is suitable for navigation of a single mobile robot. 

2.6 Rule Based Technique

2.6.1 Introduction

If‐then  rules  are  one  of  the most  common  forms  of  knowledge  representation 

used  in  expert  systems.  Systems  employing  such  rules  as  the  major 

representation paradigm are called rule‐based systems. One of the first popular 

computational uses of rule‐based systems was the work by Newell et al. [142]. In 

their work  the  rules were  used  to model  human  problem  solving  behaviour.  

However  the mathematical model  of  production  systems was  used  earlier  by 

Post [143] in the domain of symbolic logic. Work on rule‐based systems has been 

motivated by  two different objectives. One of  these  is psychological modelling. 

Page 65: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

35

The aim of this modelling is to create programs that embody a theory of human 

performance of simple tasks and reproduce human behaviour. There are number 

of  theories, which use rules as  their basis and  try  to explain human behaviour. 

The most common are SOAR Rosenbloom  [144] and ACT Anderson  [145]. The 

other objective aims at creating expert systems, which exhibit competent problem 

solving  behaviour  in  some domain. Therefore  the navigation  of mobile  robots 

can  be  solved  by  rule‐based  technology. Researchers use  rule  base  because  of 

their i) homogeneity ii) simplicity iii) independence and iv) modularity. 

In a non‐deterministic environment, autonomous control of mobile robot 

is  a  complex  problem  involving  planning,  perception,  navigation  and motion 

control. An adequate  theory of optimal analytical control of such systems does 

not  exist  presently.  Efforts  have  been made  by  the  researchers  by  using  rule‐

based  controller  to  solve  the  mobile  robot  motion  control  problems.  In  this 

control  scheme,  the  relationships between  the  states of  the  robot,  environment 

and  control  actions  are  transformed  into  the  form  of  rules  of  control,  that 

prescribe  the  action  required  to  change  the world  description  from  a  present 

state to a desired state.  

2.6.2 Rule based Technique for Mobile Robot Navigation

Many  researchers  have  used  rule‐based  technique  for  different  problems. 

Literatures related to their work are discussed in this section. 

Takagi et al. [146] have proposed rule base method to make a mobile robot 

to do a meaningful  job  i.e., pushing a box  from one place  to another place. By 

observation they have introduced a hierarchical structure in rules. The rules they 

have introduced are to maintain the angle between the robot and the box. Other 

rules are considered only when the angle is sufficiently small. The total number 

of  rules  they  have  used  in  their  experiment  is  120.  They  have  constructed  an 

Page 66: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

36

experimental  robot  to use  their  rule  base  technique  for doing meaningful  job. 

Gaeta et al. [147] have used rule‐based method for determining age groups. It has 

been  suggested by  them  that,  there  is  an  age‐related decline  in  the  efficacy  of 

integrating multiple sources into a single auditory stream.  

Tunstel  et  al.  [148]  have  discussed  operational  safety  and  health 

monitoring of critical matters of autonomous field mobile robots (e.g. planetary 

rovers operating on challenging  terrain). de Souza et al.  [149] have proposed a 

reusable architecture  for rule‐based systems described  through design patterns. 

The aim of  these patterns  is  to  constitute a design  catalog  that  can be used by 

designers  to  understand  and  create  new  rule‐based  systems,  thus  promoting 

reuse in these systems. Dietrich et al. [150] have discussed a general architecture 

for rule‐based agents and described the method to realise the navigation control 

with the help of semantic web languages. McIntosh et al. [151] have described a 

simple ‘proof of concept’ rule‐based system. They have developed a technique to 

contribute methodologically  the management‐oriented modelling  of  vegetated 

landscapes. They have not specifically used rule‐based technique for navigation 

of mobile robot. 

Altaira is a rule‐based visual language used by Pfeiffer et al. [152, 153, 154] 

is  intended  for  the  control  of  small mobile  (e.g.  LEGO)  robots. A method  of 

adapting an environmental conditions using rule base is introduced by Fei et al. 

[155].  Their  method,  based  on  curve  fitting,  has  been  explained  using  the 

example of a rule‐based mobile robot control. Gilmore et al. [156] have presented 

a rule‐based algorithm to automatically predict the dynamic behaviour of feeders 

and manipulator pushing operations. Bonner  et al.  [157, 158, 159] have used a 

hierarchy of rules, based on the concept of a free space cell, to find heuristically 

Page 67: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

37

satisfying collision‐free paths in a structured environment for a robot. They have 

shown their results for single robot. 

2.7 Potential Field Navigation Technique

2.7.1 Introduction

The potential  field  technique  is widely used  for autonomous mobile robot path 

planning due to its elegant mathematical analysis and simplicity. Potential Field 

Method  (PFM)  is  rapidly  gaining  popularity  in  navigation  and  obstacle 

avoidance applications for mobile robots because of its elegance. A robot moving 

in accordance with Newton’s laws in a potential field will never hit the obstacle. 

The potential field approach uses a scalar function called the potential function. 

It has a minimum value, when  the robot  is at  the goal configuration and has a 

high value on obstacles. Anywhere else,  the  function slopes down  towards  the 

goal  configuration,  so  that  the  robot  can  reach  the  target  by  following  the 

negative  gradient  of  the  potential  field.  The  high  value  of  the  potential  field 

prevents the robot going near the obstacles.  

2.7.2 Potential Field Technique for Mobile Robot Navigation

Potential  field methods,  introduced by Khatib  [162], are widely used  for 

real  time  collision  free path planning.  In  this  technique  the  robot gets  stuck at 

local minima before attaining the goal configuration.  Borenstein et al. [163] and 

Koren  et  al.  [164] have developed  a  real‐time obstacle  avoidance  approach  for 

mobile  robots.  The  navigation  algorithm  takes  into  account  of  dynamic 

behaviour of  a mobile  robot  and  solves  the  local minimum  trap problem. The 

repulsive force is much larger than the attractive force being considered by them. 

In other words, the target position is not a global minimum of the total potential 

field.  Therefore  the  robot  cannot  reach  its  goal  due  to  the  obstacle  nearby. 

Page 68: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

38

Garibotto  et  al.  [165]  have  proposed  a  potential  field  approach  for  local  path 

planning  of  a mobile  robot  in  telerobotics  context,  i.e. with  the  presence  of  a 

human operator in the control loop at a supervisory level.  

Kim et al. [166] have developed a new function in artificial potential field 

by using harmonic functions that eliminate local minima for obstacle avoidance 

problem  of  a mobile  robot  in  a  known  environment.  Rimon  et  al.  [167]  and 

Koditschek  [168]  have  presented  a  new methodology  for  exact  robot motion 

planning and control unifying kinematic path planning problem and  the  lower 

level feedback controller design. They validate their results in simulation mode. 

Guldner  et  al.  [169,170]  have  discussed  a  suitable  control  for  tracking  the 

gradient  of  an  artificial  potential  field.  However  such  functions  are  usually 

plagued by local minima. Al‐Sultan et al. [171] have introduced a new potential 

function for path planning that has the remarkable feature of no local minima.  

Yun et al. [172] have analysed a wall following action using potential field 

based  on  motion  planning  method.  The  new  algorithm  switches  to  a  wall 

following  control  mode  when  the  robot  falls  into  local  minima.  They 

implemented  the  new  algorithm  on  a  Nomad  200  mobile  robot.  They  have 

demonstrated simulation and experimental results  to validate  the usefulness of 

their method. Chuang  et  al.  [173] have presented  analytical  tractable potential 

field model  of  free  space.  They  have  used  Newtonian  potential  function  for 

collision avoidance between object and obstacle. Sekhawat et al. [174] and Canny 

et al. [175] have developed a technique based on holonomic potential field taking 

into  account  the nonholonomic  constraints of  the  system. Liu  et  al.  [176] have 

presented a navigation algorithm, which integrates virtual obstacle concept with 

a  potential‐field‐based  method  to  maneuver  cylindrical  mobile  robots  in 

unknown  environments.  Their  study  focuses  on  the  real‐time  feature  of  the 

Page 69: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

39

navigation  algorithm  for  fast moving mobile  robots. They mainly  consider  the 

potential‐field method in conjunction with virtual obstacle concept as the basis of 

their navigation algorithm. They have presented  their results  in simulation and 

experiment modes. 

Wang et al. [177] have presented a new artificial potential field method for 

path planning of non‐spherical single‐body robot. The optimal path problem  is 

calculated as per the heat flow with minimal thermal resistance. Ren et al. [178] 

have  investigated  the  inherent  oscillation  problem  of  potential  field methods 

(PFMs) in the presence of obstacles and in narrow passages. These situations can 

cause  slow  progress  and  system  instability  in  implementation.  To  overcome 

these  two  problems,  they  have  proposed  a modification  of Newton’s method. 

The use of the modified Newton’s method greatly improves system performance 

when compared to the standard gradient descent approach. They have validated 

their technique by comparing the performance with the gradient descent method 

in  obstacle‐avoidance  tasks.  Xi‐yong  et  al.  [179]  have  presented  a  robot 

navigation  algorithm  with  global  path  generation  capability.  Their  algorithm 

prevents the robot from running into local minima. Simulation results show that 

the  algorithm  proposed  by  the  author  is  very  effective  in  complex  obstacle 

environments.  Chengqing  et  al.  [180]  have  presented  a  navigation  algorithm, 

which integrates virtual obstacle concept with a potential‐field‐based method to 

maneuver cylindrical mobile robots  in unknown or unstructured environments. 

Simulation  and  experiments  of  their  algorithm  shows  good  performance  and 

ability  to overcome  the  local minimum problem associated with potential  field 

methods. Reid  [181] has described an algorithm  for  the optical  computation of 

potential field maps suitable for mobile robot navigation. 

Page 70: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

40

Im et al. [184] have proposed a local navigation algorithm for mobile robots 

that  combines  rule‐based  and  neural  network  approaches.  First,  the  Extended 

Virtual Force Field (EVFF), an extension of the conventional Virtual Force Field 

(VFF),  implements  a  rule  base  under  the  potential  field  concept.  Second,  the 

neural network performs  fusion of  the  three primitive behaviours generated by 

EVFF. Finally, evolutionary programming is used to optimise the weights of the 

neural  network  with  an  arbitrary  form  of  objective  function.  Furthermore,  a 

multi network version of the fusion neural network has been proposed that lends 

itself  to  not  only  an  efficient  architecture  but  also  a  greatly  enhanced 

generalization capability. The global path environment has been classified into a 

number  of  basic  local  path  environments  to  which  each  module  has  been 

optimised with  higher  resolution  and  better  generalization.  These  techniques 

have been verified  through computer simulation under a collection of complex 

and varying environments. Tsourveloudis et al.  [185] have used an electrostatic 

potential  field  (EPF)  path  planner, which  combined with  a  two‐layered  fuzzy 

logic inference engine and implemented for real‐time mobile robot navigation in 

a 2‐D dynamic environment. The first layer of their fuzzy logic inference engine 

performs  sensor  fusion  from  sensor  readings  into  a  fuzzy  variable,  collision, 

providing  information  about  possible  collisions  in  four  directions,  front,  back, 

left,  and  right. The  second  layer  guarantees  collision  avoidance with dynamic 

obstacles while  following  the  trajectory generated by  the  electrostatic potential 

field.  They  have  tested  their  proposed  approach  experimentally  using  the 

Nomad 200 mobile robot. The potential fields approach have been used by Cosio 

et  al.  [186]  which  allow  for  avoidance  of  large  or  closely  spaced  obstacles, 

through the use of auxiliary attraction points with adjustable force strength and 

distance  to  the goal. A genetic algorithm has been used  for optimisation of  the 

force  intensity  parameters  of  the  repulsion  and  attraction  cells,  as well  as  the 

Page 71: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

41

position  parameter  of  the  auxiliary  attraction  points.  Their  scheme  reported 

constitutes an effective strategy for autonomous robot navigation. McFetridge et 

al.  [187]  have  presented  a  methodology  for  robot  navigation  and  obstacle 

avoidance. Their approach is based on the artificial potential field (APF) method, 

which  is  used  for  obstacle  avoidance with  fuzzy  logic  technique.  They  have 

presented  simulation  results  demonstrating  the  ability  of  their  developed 

algorithm to perform successfully in simple environments.  

Vadakkepat  et  al.  [188]  have  proposed  Evolutionary  Artificial  Potential 

Field  (EAPF)  for  real‐time  robot  path  planning.  The  artificial  potential  field 

method  is  combined with genetic  algorithms,  to derive  optimal potential  field 

functions.  Their  proposed  Evolutionary  Artificial  Potential  Field  approach  is 

capable of navigating robot situated among moving obstacles. Fitness  functions 

like,  goal‐factor,  obstacle‐factor,  smoothness‐factor  and minimum‐path  length‐

factor  are  developed  for  the Multi‐Objective  Evolutionary Algorithm  (MOEA) 

selection criteria. Simulation results showed that their proposed methodology is 

efficient  and  robust  for  robot  path  planning  with  non‐stationary  goals  and 

obstacles. Ratering  et al.  [189] have proposed hybrid potential  field method  to 

navigate  a  robot  in which  the  environment  is  known.  They  have  tested  their 

techniques  in real as well as simulated mode. Zhuang et al.  [190] have applied 

temporal difference (TD) learning with fuzzy state in robot navigation in multi‐

obstacle environment. The APF obtained is globally optimal and avoids the local 

minimum areas, which always appear in traditional APF methods. Fuzzy state is 

introduced to improve the learning efficiency. They have shown the effectiveness 

of their method by computer simulation. 

Page 72: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

42

2.8 Simulated Annealing Technique

2.8.1 Introduction

Simulated annealing technique has attracted significant researchers as this 

is  suitable  for  optimisation  problems  of  large  scale,  especially  ones  where  a 

desired global minimum  is hidden  among many  local minima. This  annealing 

process  is  a  random‐search  technique, which  exploits  an  analogy  between  the 

way  in  which  a metal  cools  and  freezes  into  a  minimum  energy  crystalline 

structure. Simulated annealing  forms  the basis of an optimisation  technique  for 

combinatorial  and  other  problems.  It  has  been  proved  that  by  carefully 

controlling  the rate of cooling of  the  temperature, simulated annealing can  find 

the global optimum.  

2.8.2 Simulated Annealing Technique

The  avoidance  of  local minimum  has  been  an  active  research  topic  in 

potential field path planning. One of the powerful techniques for escaping local 

minima  is  simulated  annealing.  Kirkpatrick  et  al.  [191]  first  proposed  the 

optimisation  by  simulated  annealing  for  sub  atomic  behaviours  in  statistical 

mechanics.  Carriker  et  al.  [192]  have  used  simulated  annealing  to  solve  the 

mobile manipulator path‐planning problem. They have  compared  their  results 

with  the  results  obtained  by  conventional  nonlinear  programming  technique. 

Janabi‐Sharifi et al.  [193, 194] have  first used  simulated annealing  technique  to 

escape from local minimum of a potential field function. Park et al. [195, 196, 197] 

have  presented  the mobile  robot  path  planning  technique  that  integrates  the 

artificial potential  field approach with simulated annealing. Lee et al.  [198, 199] 

have  presented  potential‐field  based  path  planning  for  point  or  higher 

dimensional objects, which avoids effectively any  local extreme problems. They 

used a fast‐simulated annealing approach for local minima problems, which arise 

Page 73: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

43

from the potential field. Betke et al. [200] have used fast simulated annealing for 

automatic  object  recognition.  Their  algorithm  is  applied  to  the  problem  of 

navigation  of  robot  and  works  well  in  noisy  images  with  high  information 

content. Hong et al.  [201] have proposed a simulated‐annealing method  for  the 

generation  of  robotic  assembly. They have presented  the  effectiveness  of  their 

proposed method on electric relay case study. 

Martinez‐Alfaro  et  al.  [202]  have  described  the  development  and 

implementation of an automatic controller  for path planning and navigation of 

an  autonomous mobile  robot  using  simulated  annealing  and  fuzzy  logic.  The 

simulated annealing algorithm used by them is to obtain a collision‐free optimal 

trajectory among fixed polygonal obstacles. The trajectory tracking is performed 

with a  fuzzy  logic algorithm. They have  shown  their  results  in  simulation and 

experimental modes on a Nomadic 200 mobile robot. Lucidarme et al. [203] have 

presented a method based on simulated annealing to  learn reactive behaviours. 

Their work was related to multi‐agent systems. They have shown their technique 

for  completing  complex  cooperative  tasks with  simple  reactive mobile  robots. 

Barral et al. [204] have presented an evolutionary simulated annealing algorithm 

for  optimising mechanical  assembly,  electronic  component  insertion,  and  spot 

welding.  Kwok  et  al.  [205]  have  describes  the  use  of Genetic Algorithm  and 

Simulated Annealing for optimising the parameters of PID controllers for 6‐DOF 

robot arm. They have carried out simulation on a PUMA 560.  

2.9 Sensors for Mobile Robots

Different types of sensors have been used for mobile robot navigation. They can 

be classified into three categories: (i) Ultrasonic Sensors, (ii) Infrared Sensors, and 

(iii) Other types of Sensors. 

Page 74: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

44

2.9.1 Ultrasonic Sensors for Robot Navigation

Ultrasonic  sensors’  signals  can  be  induced  through  the  piezoelectric  effect  or 

through electro static forces. Most sensors used in robotics are electrostatic since 

this mechanism is more efficient for coupling into air. Polaroid manufactures the 

most common  type of robotic ultrasonic  transducers. It can be used  to measure 

distances from about 0.25 m to 10 m through direct time‐of‐flight measurement. 

A  firing pulse  triggers an ultrasonic burst  from  the sensor and starts a counter. 

The counter is stopped when the sensor, now acting as a receiver, detects a signal 

above a pre‐set threshold. The counter reading thus gives the time of flight.  

The  research  of  Skewis  et  al.  [206,  207,  208]  have  involved  ultrasonic 

sensor‐based motion  planning  for  a  single  robot.  They  have  used  information 

from assumed sensor media as input to the motion‐planning algorithm.  

A method for estimating the position and heading angle of a mobile robot 

moving  on  a  flat  surface  has  been  proposed  by  Boem  et  al.  [209].  Their 

localisation method utilises two passive beacons and a single rotating ultrasonic 

sensor. The passive beacons consist of two cylinders with different diameters and 

reflect the ultrasonic pulses from the sonar sensor mounted on the mobile robot. 

Their  algorithm  is  suitable  for  processing  sonar  scan  data  obtained  by  an 

ultrasonic  sensor  with  a  wide  beam  spread.  The  proposed  system  has  been 

implemented  for  a  single  robot  in  a  very  simple  environment. Kleeman  et  al. 

[210] have established that two transmitters and two receivers are necessary and 

sufficient  for a mobile  robot  to distinguish between planes,  corners and edges. 

They have used a  sonar  sensor array with a minimum number of  transmitters 

and  receivers  for  their mobile  robot. With  their method,  it  is  very  difficult  to 

navigate a single mobile robot in an unknown environment.  

Page 75: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

45

Ko et al. [211] have described a method to extract acoustic landmarks for 

the  indoor  navigation  of  a  single  mobile  robot  using  an  array  of  ultrasonic 

sensors. They have modelled the environment with specular vertical walls. Due 

to the constancy of the relative positions between the ultrasonic sensors, the echo 

pulses  from  a  reflection  point  (RP)  determine  the  position  of  the  RP.  The 

direction  to  a RP  is  estimated  from  the  orientation  of  the ultrasonic  sensor  at 

which the maximum echo level has been obtained. The mean time‐of‐flight of the 

echo pulses provides the distance to the RP.  

Mallita  et  al.  [212]  have  discussed  an  ultrasonic  imaging  system  for  a 

mobile  robot. Their  transmitters  cover  a wide  area  and  from  the  time‐of‐flight 

and  the  angle  of  incidence  of  echo  pulses,  their  algorithm  is  able  to  detect 

obstacles ahead of  the mobile  robot. They have not  implemented  their method 

for multiple mobile robots. Hong et al. [213] have discussed the sensing of room 

boundaries  for  a  mobile  robot  using  an  ultrasonic  sensor  array.  They  have 

implemented  their  algorithm  with  an  extended  Kalman  Filter.  Again,  their 

technique  was  meant  for  a  single  mobile  robot  in  a  simple  environment. 

Budenske et al.  [214] have discussed  the navigation of a robot with  the help of 

sensory data. They have  shown  that  their  approach  can be  applied  to guide  a 

robot to and through an unknown and narrow doorway. Sonic range data is used 

to find the doorways, walls, and obstacles. They have implemented their method 

for a single mobile robot for obstacle avoidance only. Takamura et al. [215, 216, 

217]  have  proposed  a method  to  acquire  a  statistical map  representation  for 

direct use in a navigation task. Their robot is equipped with a ring of ultrasonic 

sensors,  whose  data  are  employed  to  give  a  graphical  representation  of  the 

environment.  They  have  demonstrated  their method  by  computer  simulation. 

Page 76: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

46

Their method  is  not meant  for multiple mobile  robots  or  for  achieving  a  goal 

seeking behaviour.  

2.9.2 Infrared Sensors for Robot Navigation

Ultrasonic sensors are safe, easily available and have low cost, but sometimes the 

data are difficult  to  interpret.  Infrared  sensors are also  safe and  inexpensive  in 

addition  to  being  easier  to  use. They  are  suitable  for moderate  ranges, where 

transmitters of up  to  tens of mill watts  can be  employed.  Infrared  sensors  are 

appropriate for applications not demanding high measurement accuracies.  

Everett  and  Flynn  [218]  have  described  a  programmable  near‐infra‐red 

amplitude detection sensor for navigation  in an unstructured environment. The 

sensor consists of four light emitting diodes (LEDs). Between one and four light 

emitting  diodes  could  be  fired,  depending  on  the  range  expected,  and  the 

number of diodes fired before a signal is detected gives a very crude estimate of 

range which has proved inadequate for robot navigation.  

Yu et al.  [219] have discussed  the navigation of a mobile  robot using an 

infrared  sensor  to  avoid  collision with  obstacles. They have  shown  simulation 

results for a single mobile robot avoiding simple obstacles. Their method  is not 

efficient enough to be applied to a multiple robot scenario. Kube et al. [220] have 

also  used  infrared  sensors  for  obstacle  avoidance.  During  navigation,  their 

robotʹs  infrared sensors can detect obstacles within a range of 1.5 m. They have 

done all their analysis taking single mobile robots into consideration.  

Lumelsky et al.  [221, 222] have presented an approach  for decentralised 

motion  planning  for  a  mobile  robot  operating  with  unknown  stationary 

obstacles. Their robot has no knowledge about the environment or the paths and 

objectives  of  other  robots.  The  robot  plans  its  path  towards  its  target 

Page 77: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

47

dynamically,  based  on  the  current  position  and  sensory  feedback,  which  is 

provided by an  infrared sensor. They have not  reported on  the scenario where 

several mobile  robots  are navigating  in  an  environment. Vandorpe  et  al.  [223, 

224]  have designed  an  autonomous mobile  robot using  an  infrared  sensor  for 

avoiding  obstacles. Their  infrared  imaging  sensor  gives  a  complete panoramic 

image of the environment but has not been applied to the navigation of multiple 

mobile robots.  

2.9.3 Other Sensors Used in Navigation

Borenstein  et  al.  [225] have discussed  the navigation  of  a  single mobile  robot 

with various sensory techniques. They have shown that the magnetic compass is 

a very good sensor for determining the location and heading angle (x, y, and θ) 

for  a mobile  robot.  They  have  outlined  different magnetic  sensors,  including       

i) Mechanical Magnetic Compass, ii) Fluxgate Compass, iii) Hall‐Effect Compass. 

iv) Magneto‐Resistive Compass, and v) Magneto‐Elastic Compass. According to 

them,  the  Fluxgate  Compass  is  the  best  for  use  in  mobile  robot  navigation. 

However, the sensor is not appropriate for obstacle distance measurement. Yagi 

et al. [226, 227, 228] have designed an omni‐directional image sensor COPIS for a 

mobile  robot. Their  robot  is  able  to navigate by detecting  the  azimuth of  each 

object  in  the  omni‐directional  image.  By  matching  the  azimuth  with  the 

environmental  map,  the  robot  can  estimate  its  own  location  and  motion. 

However, it would be difficult to handle multiple mobile robots in an unknown 

environment as well as measuring obstacle distances with this method. Gonzalez 

et al. [229] have presented an algorithm for efficiently estimating the position of a 

mobile  robot  based  on  a  radially‐scanning  laser  range  finder.  The  algorithm 

employs a connected set of short line segments to approximate the shape of any 

environment, which  can be  easily  constructed by  the  range  finder  itself. Their 

Page 78: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

48

method  is  suitable  for  a  single  mobile  robot  navigating  in  an  unknown 

environment.  

2.10 Summary

This  chapter  has  reviewed  robot  navigation  techniques,  focusing  on  those 

utilising  fuzzy  logic, neural network,  rule‐based, potential  field  and  simulated 

annealing. It has been found that most of the techniques have been implemented 

only in simulation and that none of the techniques encountered are appropriate 

or intended for controlling the navigation of multiple mobile robots.  

 

 

Page 79: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

49

3 Kinematic Analysis of Mobile Robots In this chapter, the kinematic analysis of a wheeled mobile robot is carried out in 

which robots ride on a system of wheels and axles. With the help of the velocities 

of right and left wheel, the steering angle is calculated to avoid obstacles near or 

around the robot. 

3.1 Introduction

A  three wheeled mobile  robot  is modelled  in  this work as a planar  rigid body 

with two driving wheels, arranged parallel to each other and ‘B’ distances apart, 

which  are  driven  separately  by  two  independent  motors,  and  one  castor  is 

provided  for  stability  of  the  robot.  The  front  wheel  is  a  castor  wheel.  The 

relations between  the  rigid body motion of  the  robot,  the angular velocity and 

driving controls of the wheels are developed. The developed relations guarantee 

that the motion of robot is stable. 

3.2 Configuration of Mobile Robot

The mobile  robot  system  in  this  study  consists  of  two  subsystems.  They  are 

driving subsystem and sensing subsystem. 

Two driving configurations are used  in  today’s mobile robot, steer drive 

and differential drive. The  former uses  two driving wheels  to make  the vehicle 

move  forward  and  backward,  and  another  separate  steering  mechanism  to 

control its heading angle. Since the driving action is independent of the steering 

action,  the motion  control  of  the  vehicle  is  somewhat  easy. However  due  to 

physical  constraints,  this  configuration  cannot make  turning  in  a  very  small 

radius, which need more floor space for vehicle turning. 

Page 80: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

50

The  differential  drive  on  the  other  hand  has  two  independent  drive  wheels 

arranged parallel  to each other. Their speed can be controlled separately. Thus 

the mechanism  is able to not only drive the vehicle forward and backward, but 

also  steer  its  heading  angle  by  differentiating  their  speed.  Even  though  this 

configuration requires a somewhat more complex control strategy than the steer 

drive configuration, its capability of making a small radius turning, even making 

a  turning  on  the  spot makes  it  the  first  choice  in most  investigations.  In  this 

research a differential drive configuration is used as shown in Figure 3.1.  

 Figure 3.1. A three wheeled mobile robot. 

 

 Figure 3.2. Wheeled mobile robot with left and right angular velocities. 

 

 

ω 

Page 81: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

51

 

 Figure 3.3. Wheeled mobile robot with no slip condition. 

3.3 Kinematic Model 

Assumption  considered  for  analysing  path  constrained  of  a  wheeled  mobile 

robot 

• There are no flexible parts in the wheeled mobile robot. 

• There is no transitional slip between the wheels and the surface. 

• There is enough rotational friction between the wheels and the surface; so, 

the wheels can rotate without disturbance.  

• The two driving wheels are identical. 

 

 

 

 

 

 

 Figure 3.4. A Robot. 

Fron

t – re

ar axis 

Left‐right axis 

Robot

Right Wheel of robot Left Wheel of robot 

Front Wheel of robot 

Vr = r ωr 

2r 

Ar

Page 82: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

52

The  relationship between  the  left driving wheel,  right driving wheel velocities 

and  the  translation  and  angular  velocities  of  the wheeled mobile  robot  is  as 

follows: 

2V  V  V rl +=                   (3.1) 

( )= rlV  ‐ Vω   

B                (3.2) 

The  kinematics  of  the  differential  drive  mobile  base  is  derived  under  the 

assumption  that  there  is no  slip at any  time between  the drive wheels and  the 

ground.  The  relationship  between  the  rω and  Vr  ( lω   and  Vl)  is  found  with 

reference to the situation shown in Figure 3.3 under no slip condition i.e., there is 

no  movement  between  point  Ar  and  the  ground.  Therefore,  point  a  can  be 

thought  of  as  fixed,  reference  point. With  respect  to  this  reference  point,  the 

wheel axle should move forward with linear velocity Vr = r  rω .    

 

 

 

 

 

 

 

               

 

 Figure 3.5. Kinematic parameters of the wheeled mobile robots. 

lω rω

Vl 

Vr 

Front 

Rear

B H 

d r 

Vc 

P

M ϕ

Page 83: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

53

From Figure 3.4., the velocity of the centroid C of the wheeled mobile robot may 

be written using the motion of the rigid body as follows: 

×cV  = ω   PC                   (3.3) 

Let  ˆˆ ˆi, j and k  as unit vectors of the coordinate frame fixed at C along X, Y, and Z 

axis respectively (Z – axis is out of the thesis as shown in Figure 3.4.) 

Equation (3.2) can be expressed as: 

( ) i irlω  ‐ ω    r ˆω =     kB

              (3.4) 

The vector  PC  can be obtained from the instantaneous center to the centroid of 

wheeled mobile robot as follows: 

⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠

iB ˆ ˆPC =   + H    i + d j2

              (3.5) 

Where  i ir r

r rl l

V ωH =     B =     BV  ‐ V ω  ‐ ω

 

Substituting  equations  (3.4)  and  (3.5)  into  equation  (3.3),  the  cross  product  of 

equation (3.3) is written as: 

( ) ( )i i ir rl lc

ω  ‐ ω    r   d ω  + ω    r ˆ ˆV  =   i +   jB 2

         (3.6) 

Let Vx   be the component of Vc along  i and Vy   be the component of Vc along  j in 

equation (3.6), and using equation (3.4), Vx  and Vy can be written as: 

( ) i ir lx

ω  ‐ ω    r   dV  = 

B              (3.7) 

( ) irly

ω  + ω    r V  = 

2                (3.8) 

( ) irlω  ‐ ω    r ω = 

B                (3.9) 

Page 84: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

54

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Figure 3.6. Calculation of angular velocity.  

For  rolling without  skidding or  sliding  the  angular velocity of both  the wheel 

should be same. 

rlω  = ω  

rlV V = H H + B

 

l

r l

B VH = V  ‐ V

                  (3.10) 

( )r lrlrl

V  ‐ VV Vω = ω  = ω  =   =   = H H+B B

(3.11)

The angular velocity can be calculated by using equation 3.11 by multiplying the 

time factor. 

 

 

P Vl 

Vl 

Vr 

Vr 

H  B 

Page 85: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

55

4 Fuzzy Logic Technique

4.1 Introduction

Navigation  of multiple mobile  robots  in  presence  of  static  and moving 

obstacles using different  types of Fuzzy Logic Controller  (FLC)  is discussed  in 

this chapter. This task could be carried out specifying a set of fuzzy rules taking 

into account the different situations found by the mobile robots. The approach is 

to extract a set of fuzzy rule set from a set of trajectories provided by human. For 

this purposes  the  input  to  all  the FLC  are  left obstacle distance,  right obstacle 

distance,  front obstacle distance and  target angle considered. The outputs  from 

the FLC are both left and right wheel velocities. The fuzzy rules help the robots 

to avoid obstacles and find the targets.  

 

Part of contents of this chapter has been published in  

• “Neuro‐Fuzzy  Technique  for  Navigation  of  Multiple  Mobile  Robots”, 

Fuzzy Optimization and Decision Making, (2006), Vol. – 5, pages 255 – 288. 

• “Fuzzy Control  Technique  for  of Multiple Mobile Robots’ Navigation”, 

AMS‐03, Jadavpur University, Kolkata, 28‐29 March, 2003, Pages: 415‐420.    

• “Fuzzy Controllers for Navigation of Multiple Mobile Robots”, NCME‐03, 

TITE, Patiala, November, 2003, Pages: 498‐504. 

 

 

 

Page 86: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

56

4.2 Control Architecture

4.2.1 Analysis of Obstacle Avoidance and Target Seeking Behaviour

The robots used here are rear wheel drive having  two rear wheels, namely  left 

and right rear wheel. The mobile robot considered  in this work  is a point robot 

for  simulation mode.  Its dimension  is 1 X 1 pixel2. Each  robot has an array of 

sensors  for measuring  the distances around  it and  locating  the  target  i.e.,  front 

obstacle distance  (FD),  left obstacle distance  (LD),  right obstacle distance  (RD) 

and detecting  the bearing of  target  (HA). The distance between  the  robots and 

obstacles act as repulsive forces for avoiding the obstacles, and the bearing of the 

target acts as an attractive force between robots and target.  

In this research three types of membership functions are considered. First 

one  is of  three‐membership  function having  two  trapezoidal members and one 

triangular member. Linguistic variables such as “far”, “medium” and “near” are 

taken  for  three‐membership  function.  Five membership  function  is  considered 

with  all  are  of  triangular member. Here  linguistic  variables  like  “very  near”, 

“near”,  “medium”,  “far”  and  “very  far”  are  considered.  Finally  Gaussian 

membership  function  is  considered with “very near”, “near”, “medium”, “far” 

and “very far” as linguistic variables for navigation of multiple mobile robots.  

Some of the fuzzy control rules are activated according to the information 

acquired by the robots using their sensors. The outputs of the activated rules are 

weighted by fuzzy reasoning and then the velocities of the front driving wheels 

of  the  robots  are  calculated.  . Left wheel velocity  and  right wheel velocity  are 

denoted  as  leftvelo  (LV)  and  rightvelo  (RV)  respectively.  Similarly  leftdist, 

rightdist, and  frontdist are defined  for  the distances  left obstacle distance  (LD), 

right obstacle distance (RD) and front obstacle distance (FD) respectively.  

Page 87: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

57

Linguistic variables such as “pos” (positive) “zero” and “neg” (negative) 

are defined  for  the  bearing  of  heading  angle  (HA) with  respect  to  target. The 

term  “notargetconsider”  is  used  if  there  is  no  target  in  the  environment. 

Linguistic variables like “fast”; “medium” and “slow” are defined for left wheel 

velocity  and  right  wheel  velocity  for  three‐membership  function.  Terms  like 

“very  slow”, “slow”, “medium”, “fast”, and “very  fast” are  considered  for  left 

wheel velocity and right wheel velocity for five‐membership functions. Similarly 

linguistic variables such as “more pos”  (more positive),“pos”  (positive) “zero”, 

“neg” (negative) and “more neg” (more negative) are defined for the bearing of 

heading angle (HA) with respect to target. The parameters defining the functions 

are  listed  in table 4.1. The membership functions described above are shown  in 

Figure 4.1.  

Page 88: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

58

(a)  Parameters for Left, Right and Front Obstacle 

Variables  Very Near 

(Meter) Near 

(Meter) Medium (Meter) 

Far (Meter) 

Very Far (Meter) 

0.0  1.0  2.0  3.0  4.0 

1.0  2.0  3.0  4.0  5.0 

Left Obstacles Distances Right Obstacles Distances and Front Obstacles Distances 

2.0  3.0  4.0  5.0  6.0 

(b) Parameters for Heading Angle 

 Variables  More 

Negative (Degree) 

Negative (Degree) 

Zero (Degree) 

Positive (Degree) 

More Positive (Degree) 

  

‐180  ‐120  ‐20  0  20 

‐120  ‐20  0  20  120 

Heading Angle 

‐20  0  20  120  180 

(c) Parameters for Left and Right Velocity  

 Variables  Very Slow 

(Meter/sec) Slow 

(Meter/sec) Medium 

(Meter/sec) Fast 

(Meter/sec) Very Fast (Meter/sec) 

0.0  0.5  1.0  1.5  2.0 

0.5  1.0  1.5  2.0  2.5 

Left Wheel Velocity and Right Wheel Velocity 

1.0  1.5  2.0  2.5  3.0 

 Table 4.1. Parameters of fuzzy membership functions.     

Page 89: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

59

     

Figure 4.1. Fuzzy Controllers for Mobile Robot Navigation.  

 

 

 

Three‐Membership Fuzzy Controller for Mobile Robot Navigation

Heading Angle

Fuzzy Controller Right Wheel Velocity 

Left Wheel Velocity 

F. O. D. 

R. O. D. 

Heading AngleL. O. D. 

Fuzzy Controller R. O. D. L. O. D. 

Heading Angle 

Right Wheel Velocity Left Wheel Velocity 

F. O. D. 

F. O. D. R. O. D.   L. O. D. 

    Fuzzy Controller  Right Wheel Velocity Left Wheel Velocity Heading Angle 

Five‐Membership Fuzzy Controller for Mobile Robot Navigation 

F. O. D. = Front Obstacle Distance, L. O. D. = Left Obstacle Distance and 

R. O. D. = Right Obstacle Distance 

Gaussian Fuzzy Controller for Mobile Robot Navigation 

Page 90: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

60

 

 

 

 

 

 

 Figure 4.2. Fuzzy membership functions. 

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0

Left Obstacle Distance

Very Near  Near 

Medium Far 

Very Far 

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0

Front Obstacle Distance

Very Near  Near 

Medium Far 

Very Far 

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0

Right Obstacle Distance 

NearMedium  Very 

Far Very Near 

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Left Wheel Velocity 

Fast Very Slow Slow  

Medium  Very Fast 

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Right Wheel Velocity 

Very Slow Slow  

Medium Very Fast Fast 

‐180 ‐120 -20 0.0  20  120 180

Target Angle 

More Negative 

Negative Zero 

Positive 

More Positive 

Far 

Page 91: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

61

 4.2.2 Fuzzy Mechanism for Mobile Robot Navigation

Based on the subsets the fuzzy control rules are defined as follows: 

If (LD is LDi Λ FD is FDj Λ RD is RDk Λ HA is HAl)        (4.1) 

Then LV is LVijkl and RV is RVijkl 

Where i = 1 to 3, j = 1 to 3, k = 1 to 3 and l = 1 to 3 because LD, FD, RD and HA 

have three membership functions each. 

And for five membership function i = 1 to 5, j = 1 to 5, k = 1 to 5 and l = 1 to 5  

From equation (4.1) two rules can be written: 

If (LD is LDi and FD is FDj and RD is RDk and HA is HAl)   

Then LV= LVijkl   

And     

If (LD is LDi and FD is FDj and RD is RDk and HA is HAl) 

Then RV = RVijkl 

A factor Wijkl is defined for the rules as follows: 

Wijkl = ( ) ( ) ( )µ µ µ µΛ Λ Λi j k lLD i FD j RD HAk ldis     dis     dis     (ang )   (4.3) 

Where disi, disj, and disk are the measured distances, and angl is the value of the 

heading angle. 

The membership  values  of  the  left wheel  and  right wheel  velocities  velLV  and 

velRV  are given by: 

( ) ( )µ µ′ = Λ ∀ ∈ijklijkl LV LVijkl velLV   vel W     vel                                      LV  

( ) ( )RV ijkl RV RV velijkl ijklvel W vel RVµ µ′ = Λ ∀ ∈  

(4.4)

(4.2)

Page 92: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

62

The overall  conclusion by  combining  the outputs of  all  the  fuzzy  rules  can be 

written as follows: 

( ) ( ) ( ) ( )µ µ µ µ′ ′ ′= ∨ ∨ ∨ ∨ 1111  3333ijklLV LV LV LVLV LV   LVvel     vel ... vel ... vel  

( ) ( ) ( ) ( )µ µ µ µ′ ′ ′= ∨ ∨ ∨ ∨1111  3333 ijklRV RV RV RVRV   RV RVvel vel ... vel ... vel  

Equation (4.5)  is for three membership functions. For five‐membership function 

the fuzzy rules are written as:  

( ) ( ) ( ) ( )µ µ µ µ′ ′ ′= ∨ ∨ ∨ ∨ 1111  5555 ijklLV LV LV LVLV LV LVvel   vel ... vel ... vel  

( ) ( ) ( ) ( )µ µ µ µ′ ′ ′= ∨ ∨ ∨ ∨ 1111  5555 ijklRV RV RV RVRV RV RVvel   vel ... vel ... vel  

 

The crisp values of Left Wheel Velocity and Right Wheel Velocity are computed 

using center of gravity method is: 

( ) ( )( ) ( )

⋅µ ⋅= =

µ ⋅∫∫

LV

LV

vel  vel   d velLeft Wheel Velocity    LV  

vel   d vel 

( ) ( )( ) ( )

⋅µ ⋅= =

µ ⋅∫∫

RV

RV

vel  vel   d velRight Wheel Velocity   RV 

vel   d vel 

 

4.2.3 Obstacle Avoidance

The  attractive  force between  the  robot  and  the  target  causes  the  robot  seeking 

towards the target when the robot is very close to the target. Similarly when the 

robot is very close to an obstacle, because of repulsive force developed between 

the robot and the obstacle, the robot must change its speed and heading angle to 

avoid the obstacle. Some of the fuzzy rules used for obstacle avoidance by robots 

(4.5)

(4.6)

(4.7)

Page 93: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

63

are  listed  in  Table  4.2  to  Table  4.5.  All  the  rules  in  those  tables  have  been 

obtained heuristically using common sense. 

Some rules mentioned in Table 4.2 cater for extreme conditions when the 

obstacles have to be avoided as quickly as possible. This is for three‐membership 

function. Rule 06 mentioned in the Table 4.2 describes if the left obstacle distance 

is  “near”,  right  obstacle distance  is  “far”,  front  obstacle distance  is  “medium” 

and no unobstructed  target  is around  the  robot,  then  the  robot  should  turn  to 

right  side  as  soon  as possible  to  avoid  collision with  the  left  obstacle.  For  the 

above  condition  the  left wheel  velocity  should  increase  fast  and  right wheel 

velocity should decrease slowly. 

Similarly  some  rules  mentioned  in  Table  4.3  are  used  for  extreme 

conditions when the obstacles have to be avoided as soon as possible. These rules 

are for five‐membership function. 

For  example  in  rule  12,  the  left  obstacle  distance  is  “  very  far”,  right 

obstacle distance is “near”, front obstacle distance is “ very near” and no target is 

located around the robot, then the robot should turn to left side to avoid collision 

with  the obstacle  in  front and  towards  right of  it. For  the above  condition  the 

right wheel  velocity  should  increase  very  fast  and  left wheel  velocity  should 

decrease very slowly. 

4.2.4 Control Steering Action for Target

The objective of the robots is to reach the target efficiently. If any one of the robot 

senses  a  target,  it will  decide whether  it  can  reach  the  target  or  there  is  any 

obstacle that will obstruct the path. If there is no obstacle on the path leading to 

the target, the robot will find its desired path and proceed towards it. Fuzzy rules 

21  to 26 are  for  three‐membership  function  (Table 4.4)  for  target  finding. Table 

Page 94: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

64

4.4 describes  rules  for  five‐membership  function  to  locate  the  target. Here also 

the fuzzy rules are obtained heuristically. 

Rule  number  22  states  that  if  the  left  obstacle  distance  is  “near”,  front 

obstacle distance is “medium” and right obstacle distance is “far” and the robot 

detects a  target  located on  the  right  side  (positive),  then  the  robot  should  turn 

right as soon as possible. To do this, the  left wheel velocity of the robot should 

increase fast and the right wheel velocity should decrease slowly. 

The velocities are found from the fuzzy rules described in the table given below.  

 

Fuzzy Rule No. 

Action  left dist 

front dist 

right dist 

heading angle  left velo 

right velo 

01  OA  Near  Near  Near  NoTargetConsidered  Slow  Slow 02  OA  Near   Near   Med  NoTargetConsidered  Med   Slow 03  OA  Near  Near   Far   NoTargetConsidered  Fast    Slow  04  OA  Near  Med  Near  NoTargetConsidered  Slow   Slow 05  OA  Near   Med  Med  NoTargetConsidered  Fast  Med 06  OA  Near   Med  Far   NoTargetConsidered  Fast  Slow 07  OA  Near  Far  Near  NoTargetConsidered  Slow   Slow 08  OA  Near  Far  Med  NoTargetConsidered  Fast  Med 09  OA  Near   Far  Far   NoTargetConsidered  Fast   Slow 10  OA  Med  Near  Near  NoTargetConsidered  Med  Fast  

 Table 4.2. Obstacle avoidance for three‐membership function. 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 95: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

65

Fuzzy Rule No. 

Action  left dist 

frontdist 

right dist 

heading angle  left velo 

right velo 

11  OA  VN  VN  VN  NoTargetConsidered  VS  VS 12  OA  VF  VN  Near  NoTargetConsidered  VS   VF  13  OA  VN  VN  Med  NoTargetConsidered  Fast   VS 14  OA  VN  VN  Far   NoTargetConsidered  Fast   Slow 15  OA  VN  VN  VF  NoTargetConsidered  VF  VS 16  OA  VN  Near  VN  NoTargetConsidered  Slow  Slow 17  OA  VN  Near  Near  NoTargetConsidered  Slow   VS 18  OA  VN  Near  Med  NoTargetConsidered  Fast   Slow  19  OA  VN  Near  Far   NoTargetConsidered  Fast   Slow 20  OA  VN  Near  Very 

Far NoTargetConsidered  VF   VS 

Table 4.3. Obstacle avoidance for five‐membership function.  Fuzzy Rule No. 

Action  left dist 

front dist 

rightdist  heading angle 

leftvelo  right velo 

21  TS  Near   Far  Med  Positive  Fast  Slow  22  TS  Near   Med   Far   Positive  Fast   Slow  23  TS  Near   Med  Near   Negative   Slow   Fast  24  TS  Far   Near   Med  Negative   Slow   Fast  25  TS  Far   Med  Near   Positive   Fast    Slow   26  TS   Far   Far   Far   Negative   Slow   Fast   

Table 4.4. Target seeking for three‐membership function. 

Fuzzy Rule No. 

Action  left dist 

front dist 

rightdist  heading angle 

leftvelo  right velo 

27  TS  VN   Far   Near   Positive  Slow  VS   28  TS  VN   Med  VF  Positive  VF  VS 29  TS  Near   Far   Far   Positive  Fast   Slow  30  TS  Med  Far   Near   Negative  Slow   Med 31  TS  Far   Med   Near   Negative  Med  Fast  32  TS   Far   Very 

Far  Near   Negative  Med  VF  

 Table 4.5. Target seeking for five‐membership function. 

Page 96: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

66

Note:  OA  =  Obstacle  Avoidance, Med  = Medium,  frontdist  =  Front  Obstacle 

Distance,  rightdist  = Right Obstacle Distance,  leftdist  = Left Obstacle Distance, 

leftvelo  =  Left Wheel Velocity,  rightvelo  =  Right Wheel Velocity,  TS  =  Target 

Seeking, Positive = Right Turn, Negative = Left Turn, VF = Very Fast, VN = Very 

Near and VS = Very Slow. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 4.3. Left, Front and Right Obstacles Distances.  

In Figure 4.3  the robot detect  left,  front and right obstacle distances are 1.2, 2.4 

and 4.6  respectively.   There  is no  target present  in  the environment. Therefore, 

heading  angle  is  taken  as  zero  for  all  the  rules. With  the  above‐mentioned 

obstacles, there will be 2 X 2 X 2 = 8 fuzzy rules (Figure 4.3) activated to control 

the left wheel velocity and right wheel velocity of the robot. For this environment 

the fuzzy rules, which are applicable, are given below. The resultant right wheel 

and left wheel velocity are shown in Figure 4.4. 

2.0 3.0 4.0 5.0 6.0

Very Near 

 Medium 

 Far 

Very Far 

Left Obstacle Distance

1 0.9 

.15 

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0

Very Near 

 

 Medium 

 Far 

Very Far 

Front Obstacle Distance

0.6 0.4

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0

Very Near 

 Near 

 Medium 

 Far 

Very Far 

Right Obstacle Distance 

1 0.8

0.2

Near Near

Page 97: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

67

First Combination  Left Obstacle : Very Near,  Front Obstacle: Near and Right Obstacle: very Far 

Then according to fuzzy rule 

Left wheel velocity: Very Fast and  

Right wheel Velocity: Very Slow 

Second Combination  Left Obstacle : Very Near, Front Obstacle: Near and Right Obstacle:  Far              

Then according to fuzzy rule 

Left wheel velocity: Fast and  

Right wheel Velocity: Slow 

Third Combination  Left Obstacle : Very Near, Front Obstacle: Medium and Right Obstacle: Very Far         

Then according to fuzzy rule 

Left wheel velocity: Very Fast and  

Right wheel Velocity: Very Slow 

Fourth Combination  Left Obstacle : Very Near, Front Obstacle: Medium and Right Obstacle: Far   

Then according to fuzzy rule   

Left wheel velocity: Fast and  

Right wheel Velocity: Medium 

Fifth Combination  Left Obstacle : Near, Front Obstacle: Near and Right Obstacle: Very Far                   

Then according to fuzzy rule   

Left wheel velocity: Medium and  

Right wheel Velocity: Very Slow 

Sixth Combination  Left Obstacle : Near, Front Obstacle: Near and Right Obstacle: Far 

Then according to fuzzy rule 

Left wheel velocity: Slow and  

Right wheel Velocity: Very Slow 

Seventh Combination 

Left Obstacle : Near, Front Obstacle: Medium and   Left wheel velocity: Very fast 

Then according to fuzzy rule 

Right Obstacle: Very Far and  

Right wheel Velocity: Very Slow 

Eighth Combination  Left Obstacle : Near, Front Obstacle: Medium and Right Obstacle: Far 

Then according to fuzzy rule  

Left wheel velocity: Fast and  

Right wheel Velocity: slow 

  

Page 98: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

68

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

“Fourth combination of fuzzy rule is activated” 

“Third combination of fuzzy rule is activated” 

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Very Slow 

 Slow 

 Medium 

 Fast 

Very Fast 

Left Wheel Velocity0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Very Slow  Slow 

 Medium 

 Fast 

Very Fast 

Right Wheel Velocity 

0.4 0.4

1 1

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Very Slow 

 Slow 

 Medium 

 Fast 

Very Fast 

Left Wheel Velocity

0.2

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Very Slow 

 Slow 

 Medium 

 Fast 

Very Fast 

Right Wheel Velocity 

0.2

1  1

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Very Slow 

 Slow 

 Medium  Fast 

Very Fast 

Left Wheel Velocity 

0.6

1

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 3.0

 Medium 

 Fast 

Very Fast 

Right Wheel Velocity 

0.6 1

“Second combination of fuzzy rule is activated” 

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Very Slow 

 Slow 

 Medium 

 Fast 

Very Fast 

Left Wheel Velocity

0.2

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Very Slow 

 Slow 

 Medium  

Fast Very Fast 

Right Wheel Velocity 

0.2

1 1

2.5

“First combination of fuzzy rule is activated”

Slow Very Slow

Page 99: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

69

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Very Slow  Slow 

 Medium  

Fast Very Fast 

Left Wheel Velocity0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Very Slow 

 Slow 

Medium  Fast 

Very Fast 

Right Wheel Velocity 

.15.15

1  1

“Seventh combination of fuzzy rule is activated” 

“Eighth combination of fuzzy rule is activated” 

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Very Slow 

 Slow 

 Medium  

Fast Very Fast 

Left Wheel Velocity0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Very Slow 

 Slow 

 Medium  

Fast  Very

Right Wheel Velocity 

.15.15

“Sixth combination of fuzzy rule is activated” 

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Very Slow 

 Slow 

 Medium  

Fast Very Fast 

Left Wheel Velocity

.15

1

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Very Slow 

 Slow 

 Medium  

Fast Very Fast 

Right Wheel Velocity 

.15

1

“Fifth combination of fuzzy rule is activated” 

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Very Slow 

 Slow 

 Medium  

Fast Very Fast 

Left Wheel Velocity

.15

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Very Slow 

 Slow 

 Medium  

Fast Very Fast 

Right Wheel Velocity 

.15

1  1

Page 100: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

70

 

 

 

 

 

 

 Figure 4.4. Resultant Left and Right Wheel Velocity. 

 4.2.5 Petri Net Modelling to avoid Collision among the Robots

C. A. Petri [83] first developed a Petri Net model which is used in this thesis to 

avoid  inter robot collision. Figure 4.5 shows the Petri Net model built  into each 

robot  to enable  it  to avoid collision with other robots. The model comprises six 

tasks. The details of the Prtri Net technique are given in appendix –B.   

It  is  assumed  that,  initially,  the  robots  are  in  a  highly  cluttered 

environment, without any prior knowledge of one another or of the targets and 

obstacles. This means the robot is in state “Task 1” (“Wait for the start signal”). In 

Figure 4.5, the token is in place “Task 1”. 

Once  the  robots  have  received  a  command  to  start  searching  for  the 

targets, they will try to locate targets while avoiding obstacles and one another. 

The robot is thus in state “task 2” (“Moving, avoiding obstacles and searching for 

targets”). 

During navigation, if the path of a robot is obstructed by another robot, a 

conflict  situation  is  raised.  (State  “Task  3”,  “Detecting  Conflict”).  Conflicting 

robots will negotiate with each other to decide which one has priority. The lower 

priority robot will be treated as a static obstacle and the higher priority robot as a 

proper mobile  robot  (state  “Task  4”,  “Negotiating”).  As  soon  as  the  conflict 

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Very Slow 

 Slow 

 Medium 

 Fast 

Very Fast 

Resultant Right Wheel Velocity

0.6

0.2

1

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Very Slow 

 Slow 

 Medium  

Fast Very Fast 

Resultant Left Wheel Velocity

.15 0.2

1

0.6

Page 101: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

71

situation  is  resolved,  the  robots will  look  for  other  conflicts  and  if  there  is no 

other conflict  they will execute  their movements  (state “Task 5”, “Checking  for 

conflict and executing movements”). 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Figure 4.5. Petri Net Model for avoiding inter‐robot collision. 

 

   Task 2

 

   Task 3

  Task 5 

Task 1 Wait for the start signal Task 2 Moving, avoiding obstacles 

and searching for targets Task 3 Detecting Conflict Task 4 Negotiating Task 5 Checking for conflict and    executing movements Task 6   Waiting 

Place 

Token Transition Arc 

   Task 6

Task 1 

Task 4 

Page 102: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

72

4.3 Demonstrations

The proposed fuzzy logic technique has been implemented in simulations 

as well as in real mode with different environments. Simulations are conducted 

using the Window‐based simulation software package ‘ROBPATH’ (Appendix ‐ 

A)  developed  by  the  author  for  robot  navigation.  The  environment  generated 

artificially containing static obstacles as well as static targets.  

4.3.1 Obstacle Avoidance and Target Seeking by Multiple Mobile Robots

This  exercise  involves  forty‐five mobile  robots  initially  assembled  into 

three  groups  that  are  placed  within  an  enclosure  using  five  memberships 

Gaussian FLC. All the three targets are located in U shaped partitions as shown 

in Figure 4.6. Figure 4.7 shows an intermediate situation where Figure 4.8 depicts 

the final position, when all the robots have reached targets.  

  Figure  4.6. Obstacle  avoidance  and  target  seeking  by  forty‐five mobile  robots using five‐membership function (Initial position). 

Target 

Fifteen Robots

Fifteen Robots

Fifteen Robots

Obstacles 

Obstacles

Obstacles

Page 103: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

73

    Figure  4.7. Obstacle  avoidance  and  target  seeking  by  forty‐five mobile  robots using five membership function (Intermediate state). 

  

Figure  4.8. Obstacle  avoidance  and  target  seeking  by  forty‐five mobile  robots using five membership function (Final state). 

Page 104: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

74

4.3.2 Collision Free Movements in a Cluttered Environment

This exercise demonstrates that, the robots do not collide with each other 

even  in a highly cluttered environment. Figure 4.9 depicts  the beginning of  the 

exercise where as Figure 4.10  shows  the  trajectories of  the  robots  for  the  fuzzy 

logic technique using five‐membership Gaussian function. It can be seen that the 

robots  are  able  to  resolve  conflict  and  avoid  one  another  and  reach  the  target 

successfully.  ‘a‐b‐c‐d‐e‐f‐g‐h’  is  the path  followed by robot‐1  to reach  the  target 

and  ‘p‐q‐r‐s‐t‐u’  is  the  path  for  robot‐2. After  getting  the  start  command  the 

robots start searching for target from point ‘a’ and ‘p’. It is clear from the Figure 

4.10 that when the robots reach close to each other  i.e., at point  ‘b’ and  ‘q’ they 

change their direction to avoid collision between them.  

 

Figure  4.9.  Collision  free  movement  using  five‐membership  FLC  (Initial scenario).   

Target 

Obstacles

Obstacle 

Obstacles

Obstacles

Target

Robot 1 Robot 2

Page 105: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

75

 Figure 4.10. Collision free movement using five membership FLC (Final state). 

4.3.3 Obstacle Avoidance by a Large Number of Robots

Obstacle avoidance by one thousand mobile robots using Gausssian five‐

membership function  is shown  in Figures 4.11 and 4.12. Figure 4.11 depicts  the 

starting  of  the  exercise.  Figure  4.12  shows  the  situation  after  few  times  the 

exercise  has  begun.  It  can  be  noted  that  the  robots  stay well  away  from  the 

obstacles as well as from each other. 

4.3.4 Escape from Dead Ends

Figures 4.13 and 4.14 show the ability of the robots to escape from the dead ends 

using  Gausssian  five  membership  FLC.  Fifteen  robots  are  involved  in  this 

exercise. Figure 4.13 depicts the situation at the beginning of the exercise. The U‐

shaped and  rectangular obstacles are causing dead ends  for  the  robots. All  the 

robots  were  enclosed  within  a  U‐shaped  obstacle.  Figure  4.14  shows  all  the 

robots efficiently negotiate the dead ends and reach their target successfully. 

a b

c

d e

h g 

p q

rs 

t u 

Page 106: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

76

  Figure  4.11. Navigation  of  large  number  of  robots  before  starting  the mission using five‐membership FLC (1000 robots). 

Figure  4.12.  Navigation  of  large  number  of  robots  after  some  time  from  the starting of the mission using five membership FLC (1000 robots). 

200 Robots 

Obstacles

Obstacle

200 Robots 

200 Robots

200 Robot

200 Robots

Obstacles 

Page 107: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

77

Figure 4.13. Environment for escaping from the dead ends before starting of the mission using five‐membership FLC. 

Figure 4.14. Recorded paths of fifteen robots in case of escaping from U‐shaped objects and getting the targets using five‐membership FLC. 

U‐Shape Obstacles 

Target 

U‐Shape Obstacles

15 Robots

Rectangular Obstacle 

Page 108: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

78

4.4 Comparison between the Different Types of Fuzzy Controller

4.4.1 Simulation Results

An exercise has been carried out to compare the performances of three different 

types of  fuzzy  controllers.    In all  the  exercises one  robot  is  located  inside  four 

rectangular shape obstacles and one target is present in the environment. Figure 

4.15 depicts the initial state of the environment for all the controllers. Figures 4.16 

‐ 4.18  represent  the path  traced by  the  robot using  three‐membership  function, 

five‐membership  function,  and  Gaussian  membership  function  respectively.  

Total  path  lengths  using  three‐membership,  five‐membership  and  Gaussian 

membership  fuzzy  controllers  are  measured  (in  pixels)  for  four,  eight,  ten, 

sixteen, twenty‐four, forty, fifty and seventy robots. The final results are given in 

Table 4.6. Similarly time taken to reach the target using three‐membership, five‐

membership and Gaussian membership  fuzzy  controllers are measured  for  the 

same number of  robots using statistical method. The  results are given  in Table 

4.7.  The  path  lengths  and  the  search  times  are  taken  statistically  from  one 

thousand  simulation  results. The path  lengths  and  search  times  are  giving  an 

objective measure of the performance of the different controllers. From the path 

length  and  search  time  it  is observed  that  the  fuzzy  controller using Gaussian 

membership function finds the target in minimum time.  

 

 

 

 

 

Page 109: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

79

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 4.15. Workspace for one mobile robot with one target (initial scenario).   

 

 

 

 

 

 

 

 Figure 4.16. Navigation path for one mobile robot using three‐membership fuzzy controller. 

One Robot

Target

U‐shape obstacles

U‐shape obstacles 

Page 110: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

80

  

 

 

 

 

 

 

 

 Figure  4.17.  Navigation  path  for  one  mobile  robot  using  five  membership triangular fuzzy controller.  

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 4.18. Navigation path  for one mobile  robot using Gaussian membership fuzzy controller. 

Page 111: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

81

Number of robots 

Total path length in pixels using three membership fuzzy 

controller 

Total path length in pixels using five 

membership fuzzy controller 

Total path length in pixels using Gaussian 

membership fuzzy controller 

4  564  466  393 8  1082  902  770 10  1357  1094  934 16  2741  2199  1924 24  3982  3361  2801 40  5508  4539  3874 50  7109  5963  5022 70  14312  12245  10178 

Table 4.6.  Path lengths using different fuzzy controllers.   Number of robots 

Total time taken in seconds using three membership fuzzy 

controller 

Total time taken in seconds using five membership fuzzy 

controller 

Total time taken in seconds using Gaussian 

membership fuzzy controller 

4  15.91  13.44  11.32 8  32.24  26.40  22.53 10  36.11  31.29  25.68 16  51.83  42.44  36.22 24  87.75  72.49  61.05 40  119.06  100.08  83.19 50  197.14  168.02  143.38 70  326.02  269.32  226.80 

Table 4.7.  Time taken to reach the target using different fuzzy controllers.  

 

Page 112: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

82

4.4.2 Experimental Results

Figures 4.19 ‐ 4.23 show experimental results obtained for one mobile robot 

for the similar simulated environment as shown in Figure 4.15. Similarly for two 

mobile  robots  the  experiment  is  carried  out  (Figures  4.24  ‐  4.28)  in  a  similar 

simulated environment as shown in Figure 4.9. A brief description of the mobile 

robots used is given in Appendix ‐ C. The experimentally obtained paths closely 

follow  the  path  traced  by  the  robots  during  simulation.  Table  4.8  shows  a 

comparison between the average units of time taken by the robots in simulation 

and in the experimental mode for obstacle avoidance and target seeking. 

  

 

 

 

 

 

  Figure 4.19.  Initial scenario  for real robot  (Khepera  II)  for  the similar simulated environment as shown in Figure 4.15. 

 

 

 

 

 

 

 

 Figure  4.20.  Intermediate  scenario  ‐  one  for  real  robot  (Khepera  II)  using Gaussian membership fuzzy controller. 

Page 113: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

83

 

 

 

 

 

 

 

 

 Figure  4.21.  Intermediate  scenario  ‐  two  for  real  robot  (Khepera  II)  using Gaussian membership fuzzy controller. 

 

 

 

 

 

 

 

 Figure  4.22.  Intermediate  scenario  ‐  three  for  real  robot  (Khepera  II)  using Gaussian membership fuzzy controller. 

 

 

 

 

 

 

 

 Figure 4.23. Final scenario when Khepera II robot reaches the target. 

Recorded path of robot 

Page 114: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

84

 

 

 

 

 

 

 

 Figure 4.24. Initial scenario for two real robots (Khepera II and Boe ‐ Bot) for the similar simulated environment as shown in Figure 4.9. 

 

 

 

 

 

 

 

 Figure 4.25. Intermediate scenario ‐ one for real robot experiment (Khepera II and Boe ‐ Bot) using Gaussian membership fuzzy controller. 

 

 

 

 

 

 

 

 Figure  4.26.  Intermediate  scenario  ‐  two  for  real  robot  experiment  (Khepera  II and Boe ‐ Bot) using Gaussian membership fuzzy controller. 

Page 115: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

85

      

 

 

  Figure 4.27.  Intermediate scenario  ‐  three  for  real  robot experiment  (Khepera  II and Boe ‐ Bot) using Gaussian membership fuzzy controller. 

 

 

 

 

 

 

 

  Figure 4.28. Final scenario when Khepera II and Boe ‐ Bot robots reach the target. 

Total time taken during simulation in seconds 

Total time taken during experiment in seconds 

Number of robots 

Fuzzy logic technique using five 

membership triangular function 

Fuzzy logic technique using five 

membership Gaussian function 

Fuzzy logic technique using five 

membership triangular function 

Fuzzy logic technique using five 

membership Gaussian function 

1  12.01  10.56  13.29  11.41 2  12.34  11.12  13.31  12.16 4  13.44  11.32  14.56  12.41 

Table  4.8.  Time  taken  by  robots  in  simulation  and  experiment  to  reach  target (Fuzzy logic technique). 

Recorded path of robot 

Page 116: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

86

 4.5 Summary

This chapter has described techniques for controlling the navigation of multiple 

mobile  robots  using  different  fuzzy  logic  controller  in  a  highly  cluttered 

environment.  All  techniques  employ  fuzzy  rules  and  take  into  account  the 

distances of the obstacles around the robots and the bearing of the target in order 

to compute the velocities of the driving wheels. With the use of Petri net model 

the  robots  are  capable  of  negotiate with  each  other.  It  has  been  seen  that,  by 

using all the three types of fuzzy logic controller the robots are able to avoid any 

obstacles (static and moving obstacles), escape from dead ends, and find targets 

in  a  highly  cluttered  environments.  Using  fuzzy  logic  controller  (Gaussian 

membership) as many as one thousand mobile robots can navigate successfully 

neither  colliding  with  each  other  nor  colliding  with  obstacles  present  in  the 

environment. Comparisons of the performances among different techniques have 

been carried out statistically. From  the present analysis  it  is concluded  that  the 

fuzzy  logic  controller  utilising Gaussian membership  is  best  among  the  three 

techniques for navigation of multiple mobile robots.  

Page 117: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

87

5 Neural Network Technique

5.1 Introduction

This  chapter describes  the navigation of multiple mobile  robots using a neural 

network and a neuro‐fuzzy technique. The neural network considered here  is a 

multi‐layered perceptron  trained with backpropagation. This  technique  is used 

for obstacle avoidance and target seeking. The Petri‐net model presented  in the 

previous  chapter  is  again  used  here  for  averting  inter  robot  collision.  Then  a 

neuro‐fuzzy  technique  is  developed,  in  which  neural  network  is  acting  as  a 

preprocessor  for  a  fuzzy  controller.  Simulation  and  experimental  results  are 

demonstrated to validate the developed techniques.  

 

Part of contents of this chapter has been published in 

• “Neuro‐Fuzzy  Technique  for  Navigation  of  Multiple  Mobile  Robots”, 

Fuzzy Optimization and Decision Making, (2006), Vol. – 5, pages 255 – 288. 

• “Neuro‐Fuzzy  Technique  for  Navigation  of  Multiple  Mobile  Robots”, 

VETOMAC 3 / ACSIM 2004, 6‐9 December 2004, Pages 749‐756. 

 

 

Page 118: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

88

5.1.1 Multilayer Neural Network Based Navigation Technique

The  neural  network  used  in  this  work  is  a  back  propagation  multilayer 

perceptron having four layers [84]. The numbers of layers selected here are found 

empirically  to  facilitate  training  of  neural  network.  The  input  layer  has  four 

neurons. Out of these four neurons three are meant to receive the distances of the 

obstacles in front and to the left and right of the robot, where as fourth neuron is 

for the target bearing. If no target is detected in the environment, the input to the 

fourth  neuron  is  “zero”.  The  first  hidden  layer  has  twelve  neurons  and  the 

second hidden  layer has  four neurons. The numbers of neurons  in  the hidden 

layers  are  found  empirically.  The  output  layer  has  a  single  neuron meant  to 

produce  the  steering  angle  to  control  the  direction  of movement  of  the  robot. 

Figure 5.1 depicts the neural network highlighting the details of the neurons with 

its  input and output  signals. The neural network  is  trained with one  thousand 

patterns representing typical environmental scenarios. 

The neural network is trained with patterns representing typical scenarios, 

some of which are depicted  in Figure 5.2. For example a situation described  in 

Figure  5.2(c), where  an  obstacle  is  present  in  front  of  the  robot  and  another 

obstacle  is present on  the  left hand  side. No other obstacles are present  to  the 

right of the robot. In this environment no target is present. The neural network is 

trained and will give a command  to  the robot  to steer  towards  its right side  to 

avoid collision with the front and left side obstacles.  

 

 

 

 

Page 119: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

89

 

 

Figure 5.1. Four layer neural network for navigation of mobile robots. 

Input    Layer 

First  Hidden Layer 

Second Hidden Layer 

Output Layer  

Steering Angle 

Left Obstacle Distance 

Right Obstacle Distance 

Front Obstacle Distance 

Target Angle

Page 120: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

90

       

       

 

 

 

     

       

 Figure 5.2. Training Patterns for navigation of mobile robots.  

 

(a) 

Robot 

(b) (c)

Robot

(d)

Robot

(f)(e) 

Robot

(g)

Robot

(h)

Robot  Robot Robot Robot 

Robot 

Target

Robot

Target

Robot

TargetTarget 

(i) (j) (k) (l)

(m) (n)

Robot

Target

(o) (p)

Robot Robot

Robot

Target 

Page 121: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

91

During training and normal operation, input patterns fed to the neural network 

comprise the following components.  

[ ] =11d    Left obstacle distance from the robot           (5.1a) 

[ ] =12d    Front obstacle distance from the robot           (5.1b) 

[ ] =13d    Right obstacle distance from the robot         (5.1c) 

[ ] =11t    Target bearing                  (5.1d) 

These input values are fed to the input  layer as a result it will be distributed to 

the hidden neurons in turn the neural network generate outputs given by: 

[ ] [ ]( )lay layj jy  = f V                 (5.2) 

Where 

[ ] [ ] [ ]∑lay lay lay‐1j ji i

iV  =  W  . y               (5.3) 

And [lay] = 2, 3 (Hidden layers) 

j = label for jth neuron in hidden layer ‘lay’ 

i = label of ith neuron in hidden layer ‘lay‐1’ 

[ ] =layjiW    weight of the connection from neuron i in layer ʹlay‐1ʹ to neuron j in layer ʹlayʹ

and f(.) = an activated function chosen as the sigmoid function. 

( ) =+

x ‐x

x ‐xe  ‐ ef x    e    e

                (5.4) 

During  training,  the network output  θactual may differ  from  the desired output 

θdesired as specified in the training pattern presented to the network. A measure of 

the  performance  of  the  network  is  the  instantaneous  sum  squared  difference 

between θdesired and θactual for the presented training patterns: 

Page 122: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

92

( )∑ 2rr desired actual

all  thetraining patterns

1E  =    θ  ‐ θ2

            (5.5) 

As mentioned  previously,  the  error  calculated  in  back  propagation method  is 

employed  to  train  the  network  (Haykin  [84]).  This  method  requires  the 

computations of  local error gradients  in order  to determine appropriate weight 

corrections to reduce rrE . For the output layer, the error gradient  [ ]4δ  is: 

[ ] [ ]( ) ( )′4 41 desired actualδ  = f   V   θ  ‐ θ             (5.6) 

The local gradient for neurons in the hidden layer [lay] is given by: 

[ ] [ ]( ) [ ] [ ]⎛ ⎞′ ⎜ ⎟⎝ ⎠∑lay lay lay + 1 lay + 1

j j k kjk

θ  = f   V   δ  W           (5.7) 

The synaptic weights are updated according to the following expressions: 

( ) ( ) ( )ji ji jiW   t + 1  = W   t  + ΔW   t + 1           (5.8) 

And  

( ) ( ) [ ]lay lay‐1ji ji j iΔW   t + 1 = αΔW   t  + η δ  y           (5.9) 

Where 

α = momentum coefficient (chosen empirically as 0.25 in this work) 

η = learning rate (chosen empirically as 0.3 in this work) 

t =  iteration number,  each  iteration  consisting of  the presentation of a  training 

pattern and correction of the weights. 

The final output from the neural network is: 

[ ]( )41actualθ  = f  V                 (5.10) 

Where  ∑4 4 31 ili

iV  =  W  y               (5.11) 

Page 123: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

93

5.2 Neuro-Fuzzy Technique

The  neuro‐fuzzy  technique  developed  here  consists  of  a  pre‐processor  using 

backpropagation neural network followed by a fuzzy logic controller. Figure 5.3 

depicts the neuro‐fuzzy controller highlighting the details of the neurons with its 

inputs  and output  signal with  fuzzy  controller. The neural network used here 

also a backpropagation multilayer perceptron having four layers. The input layer 

has  four neurons. The output  layer has  a  single neuron meant  to produce  the 

steering angle. The output of the neural network i.e., the steering angle is fed to 

the  fuzzy controller along with  the  information concerning  the distances of  the 

obstacles  in front and to the  left and right of the robot. The output of the fuzzy 

controller is to compute the velocities of the driving wheels. From the velocities 

of the driving wheel the steering angle is calculated to avoid obstacles and reach 

the  target.  From  the  previous  chapter  it  was  concluded  that  Gaussian 

membership  function  is  the best  among other membership  function. Therefore 

Gaussian membership function is used in the fuzzy controller. 

The  developed  navigation  techniques  for  several  mobile  robots  are 

investigated  in  a  totally  unknown  environment.  Each  robot  has  an  array  of 

sensors for measuring  the distances of obstacles around  it and an  image sensor 

for detecting the bearing of the target. The developed neuro‐fuzzy technique has 

been demonstrated in simulation mode, which depicts that the robots are able to 

avoid  obstacles  and  reach  the  targets  efficiently.  Amongst  the  techniques 

developed neuro‐fuzzy technique is found to be most efficient for mobile robots 

navigation.  Experimental  verifications  have  been  done  with  the  simulation 

results to prove the authenticity of the developed neuro‐fuzzy technique. 

Page 124: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

94

Figure 5.3. Neuro‐Fuzzy Controller for navigation of mobile robots.  

 

 

Input    Layer 

First Hidden Layer 

Second Hidden Layer 

Output Layer  

Initial Steering Angle 

L.O.D. 

R.O.D.

F.O.D. 

Target Angle 

Fuzzy Controller L.O.D.

R.O.D.

F.O.D.L.W.V.

R.W.V.

L.O.D. = Left obstacle distance, R.O.D. = Right obstacle distance, 

F.O.D. = Front obstacle distance, 

L.W.V. = Left wheel velocity and R.W.V. = Right wheel velocity 

Page 125: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

95

5.2.1 Obstacle Avoidance

Some of the fuzzy control rules avoiding collision with obstacles are listed 

Table 5.1. Rule 1‐10 deals with pure obstacle avoidance when  the robot should 

turn away from an obstacle as soon as possible.    

 

Fuzzy Rule No. 

Action  left dist 

frontdist  rightdist  heading angle 

leftvelo  right velo 

01  OA  Near  Near  Near  Zero  Slow  Slow 02  OA  Near   Near   Med  More 

negative Slow   Med 

03  OA  Near  Near   Far   Zero  Fast    Slow  04  OA  Near  Med  Near  Negative  Slow   Slow 05  OA  Near   Med  Med  Positive  Fast  Med 06  OA  Near   Med  Far   More 

positive Med  Slow 

07  OA  Near  Far  Near  Zero  Slow   Slow 08  OA  Near  Far  Med  Negative  Fast  Med 09  OA  Near   Far  Far   Positive   Fast   Slow 10  OA  Med  Near  Near  Negative  Med  Fast  

 Table 5.1. Rules for obstacle avoidance. 

5.2.2 Target Finding

 

If  a mobile  robot detect  target,  it will directly move  towards  the  target 

unless  there  is  an  obstacle  obstructing  in  its  path.  In  that  case,  the  robot will 

avoid collide the obstacle by changing its path and proceed towards target. The 

target finding rules are listed in Table 5.2.  

 

 

 

Page 126: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

96

Fuzzy Rule No. 

Action  left 

dist 

front 

dist 

right 

dist 

heading angle  left 

velo 

right velo 

27  TS  VN   Far   Near   Positive  Slow  VS   28  TS  VN   Med.  VF  More Positive  VF  VS 29  TS  Near   Far   Far   Positive  Fast   Slow  30  TS  Med  Far   Near   More Negative  Slow   Med 31  TS  Far   Med   Near   Negative  Med  Fast  32  TS   Far   Very Far  Near   Negative  Med  VF  

 Table 5.2. Rules for target finding.  

Note:  OA  =  Obstacle  Avoidance, Med  = Medium,  frontdist  =  Front  Obstacle 

Distance,  rightdist  = Right Obstacle Distance,  leftdist  = Left Obstacle Distance, 

leftvelo  =  Left Wheel Velocity,  rightvelo  =  Right Wheel Velocity,  TS  =  Target 

Seeking, VF = Very Fast, VN = Very Near and VS = Very Slow. 

5.3 Demonstrations The  proposed  neural  network  and  neuro‐fuzzy  technique  have  been 

implemented  in  simulation  with  different  environments  in  this  section. 

Experimental  validations  of  the  developed  techniques  are  also  presented  to 

compare with the simulation results. 

5.3.1 Neural Network Technique

5.3.1.1 Obstacle Avoidance and Target Seeking

This exercise shows that the mobile robots can navigate without colliding to 

the  obstacles  and  can  find  targets  in  a  cluttered  environment  using  neural 

network  technique.  Ten  robots  are  involved  together  with  several  obstacles 

including  two  targets  enclosed  in U‐shaped  enclosures.  Figure  5.4  shows  the 

initial  state  of  the  beginning  of  the  exercise.  Figure  5.5  represents  the  final 

position where the robots are able to locate the targets with successfully avoiding 

the collision against the obstacles.  

Page 127: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

97

Figure 5.4. Obstacle avoidance and target seeking behaviour by ten mobile robots using neural network technique (Initial State). 

 

Figure 5.5. Obstacle avoidance and target seeking behaviour by ten mobile robots using neural network technique (Final State). 

Ten Robots 

Obstacles  Obstacles

Obstacles

Target 

Target

Page 128: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

98

5.3.1.2 Escape from Dead Ends

Figures 5.6 and 5.7 show the ability of the robots, which are trapped within the 

dead ends, able  to escape  from  those dead ends and  find  the  target. Figure 5.6 

shows the situation at the beginning of the exercise. Four robots are involved in 

the exercise. Three of the obstacles are rectangular shape and one obstacle is U‐

shape representing a dead end. From Figure 5.7, it can be seen that all the robots 

have  escaped  from  the dead  end  and  find  the  target  successfully. Here neural 

technique is used for navigation of robots. 

5.3.1.3 Navigation of ‘Nine Hundred Ninety Robots’

Obstacle  avoidance  by  ‘nine  hundred  ninety’  robots  using  neural  network 

technique  are  shown  in Figures  5.8  and  5.9. Figure  5.8 depicts  the  state  at  the 

beginning of the exercise where as Figure 5.9 shows the situation some time after 

the exercise has begun. It can be seen that the robots are stay well away from the 

other robots and from the obstacles. 

5.3.1.4 Inter Robot Collision Avoidance

This exercise relates to a problem designed to demonstrate that, the robots do 

not  collide with  each  other  even  in  a  highly  cluttered  ambience.  Figure  5.10 

depicts the beginning of the exercise where as Figure 5.11 shows the trajectories 

of the robots for the neural network technique. It can be noted that the robots are 

able to resolve conflict and avoid one another and reach the target successfully. 

Page 129: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

99

 

 Figure 5.6. Escape from dead ends by four mobile robots using neural network technique (Initial State). 

 Figure 5.7. Escape  from dead ends by  four mobile robots using neural network technique (Final State). 

Four  Robots 

Obstacles 

Obstacles 

Target 

Page 130: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

100

Figure  5.8.  Navigation  of  nine  hundred  ninety  mobile  robots  using  neural network technique (Initial State). 

  Figure  5.9.  Navigation  of  one  thousand mobile  robots  using  neural  network technique (Intermediate State). 

Obstacles

Obstacle 

Obstacles 

165 Robots 

165 Robots 

165 Robots 

165 Robots

165 Robots 

165 Robots

Page 131: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

101

Figure  5.10.  Collision  avoidance  between  four  mobile  robots  using  neural network technique (Initial State). 

Figure  5.11.  Collision  avoidance  between  four  mobile  robots  using  neural network technique (Final State). 

Obstacles 

Target 

Target

Four robots 

Page 132: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

102

5.3.2 Neuro-Fuzzy Technique

5.3.2.1 Collision Free Movements in a Cluttered Environment

Figures  5.12  and  5.13  relate  to  a  problem  designed  to  demonstrate  the 

robots to reach their targets in a highly cluttered environment without colliding 

with  obstacles using neuro‐fuzzy  technique.  Figure  5.12 depicts  the  beginning 

and Figure 5.13 shows the end of the exercises where both the robots reach their 

target efficiently without colliding with each other. Robot 1 has  travelled  in the 

path  ‘a‐b‐c‐d‐e‐f‐g’  and  robot  2  has  traced  path  ‘p‐q‐r‐s‐t‐u’.  This  exercise 

demonstrates  that,  the  robots do  not  collide with  each  other  even  in  a  highly 

cluttered  environment.  After  getting  the  start  command  the  robots  begin 

searching for target from point ‘a’ and ‘p’.  

5.3.2.2 Escape from Dead Ends

Figures  5.14  and  5.15  show  the  ability  of  the  robots  to  escape  from  the 

dead  ends  using  neuro‐fuzzy  technique.  Fifteen  robots  are  involved  in  this 

exercise. Figure 5.14 depicts the situation at the beginning of the exercise. The U‐

shaped  and  rectangular  obstacles  are  causing  dead  ends  for  the  robots.  The 

robots are enclosed within U and rectangular shape obstacles. Figure 5.15 shows 

all  the  robots  efficiently  negotiate  the  dead  ends  and  reach  their  target 

successfully. 

5.3.2.3 Obstacle Avoidance by a Large Number of Robots

Obstacle  avoidance  by  one  thousand mobile  robots  using  neuro‐fuzzy 

technique  is shown  in Figures 5.16 and 5.17. Figure 5.16 depicts  the starting of 

the  exercise.  Figure  5.17  shows  the  situation  after  few  times  the  exercise  has 

begun. It can be noted that the robots stay well away from the obstacles as well 

as from each other. 

Page 133: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

103

 

 

 Figure  5.12.  Collision  avoidance  by  two  mobile  robots  using  neuro‐fuzzy technique (Initial State). 

 Figure  5.13.  Collision  avoidance  by  two  mobile  robots  using  neuro‐fuzzy technique (Final State). 

Robot‐2

Obstacles 

Target Target 

Obstacles

Obstacles

Robot‐1

a p

a

p

b

c

d

e f 

r

u

Page 134: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

104

 

 

 

 

 

 

 

Figure 5.14. Environment for escaping from the dead ends before starting of the mission using neuro‐fuzzy technique. 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 5.15. Recorded paths of fifteen robots in case of escaping from dead ends and getting the targets using neuro‐fuzzy technique. 

U‐Shape Obstacles

Target

Fifteen Robots

Rectangular Obstacle 

U‐Shape Obstacles 

Rectangular Obstacle 

Page 135: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

105

 

 

Figure  5.16. Navigation  of  large  number  of  robots  before  starting  the mission neuro‐fuzzy technique (1000 robots). 

 Figure 5.17. Navigation of large number of robots after some time from the starting of the mission using neuro‐fuzzy technique (1000 robots). 

200 Robots 

Obstacles  U‐ shape obstacles

Obstacle

200 Robots

200 Robots 200 Robots

200  Robots

Obstacle

Obstacle

Obstacles

Page 136: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

106

5.4 Comparisons

5.4.1 Comparison between the Different Types of Fuzzy Controllers and Neuro-Fuzzy Controller

An exercise has been carried out to compare the performances of the fuzzy logic 

with  five  membership  Gaussian  function,  neural  network  and  neuro‐fuzzy 

techniques. In all the exercises one robot is located inside four rectangular shape 

obstacles and one  target  is present  in  the  environment. Figure 5.18 depicts  the 

initial  condition  of  the  environment  for  all  the  techniques.  Figures  5.19  ‐  5.21 

represent  the path  traced by  the  robot using  fuzzy  logic with  five membership 

Gaussian  function,  neural  network  and  neuro‐fuzzy  techniques  respectively.  

Figure 5.22 shows navigation of one mobile robot to reach the target with prior 

knowledge of  target. The  total path  lengths using  fuzzy  logic, neural network 

and neuro‐fuzzy technique are measured (in pixels) for four, eight, ten, sixteen, 

twenty‐four,  forty,  fifty and seventy robots. The  final results are given  in Table 

5.3.  Similarly  time  taken  to  reach  the  target using  fuzzy  logic, neural network 

and neuro‐fuzzy  technique are measured  for  the  same number of  robots using 

statistical method. The  results are given  in Table 5.4. The path  lengths and  the 

search  times  are  taken  statistically  from  one  thousand  simulation  results.  The 

path  lengths  and  search  times  are  giving  an  objective  measure  of  the 

performance  for  different  techniques.  A  comparison  of  the  performances  of 

different techniques has been carried out and represented in Table 5.5. In an ideal 

condition the robot knows the environment. It  is observed that the neuro‐fuzzy 

technique performs the best among all the techniques considered. 

 

 

Page 137: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

107

Figure 5.18. Environment for one robot and one target. 

 Figure  5.19.  Navigation  path  for  one  mobile  robot  using  neural  network technique.

TargetRectangular obstacles

One Robot

Rectangular obstacles

Page 138: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

108

Figure 5.20. Navigation path for one mobile robot using five‐membership fuzzy logic technique with Gaussian membership function. 

 Figure 5.21. Navigation path for one mobile robot using neuro‐fuzzy technique.

Page 139: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

109

 Figure 5.22. Navigation of one mobile robot to reach target with prior knowledge of target.  Number of robots 

Total path length in pixels using Gaussian 

membership fuzzy logic technique 

Total path length in pixels using neural network technique 

Total path length in pixels using Neuro‐fuzzy technique 

4  393  472  360 8  770  927  715 10  934  1091  842 16  1924  2239  1735 24  2801  3240  2517 40  3874  4604  3594 50  5022  6027  4592 70  10178  11821  9098 

Table 5.3.  Path lengths using different controllers.   

A

C

Page 140: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

110

Number of robots 

Total time taken in seconds using Gaussian 

membership fuzzy technique 

Total time taken in seconds using neural network 

technique 

Total time taken in seconds using Neuro‐fuzzy technique 

4  11.32  13.58  10.35 8  22.53  27.10  20.90 10  25.68  31.55  23.48 16  36.22  43.98  33.12 24  61.05  71.68  54.88 40  83.19  105.14  73.95 50  143.38  166.95  125.71 70  226.80  268.40  207.36 

 Table 5.4.  Time taken to reach the target using different controllers.

Sl. No. 

Different Techniques  Path length in pixels 

Time taken to reach the target in sec 

Performance evaluation 

01  Ideal condition  55.5  0.45  ‐‐‐‐ 02  Neural network 

technique  269.5  2.42  20% 

03  Gaussian membership fuzzy Technique 

165.5  1.5  33% 

04  Neuro‐fuzzy technique  162.5  1.45  34% 

 Table 5.5.  Performance evaluation of different technique for navigation of one mobile robot. 

 

Page 141: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

111

5.4.2 Comparison of the Developed Neuro-Fuzzy Technique with Marichal and Janglova Techniques

Comparisons of  the developed neuro‐fuzzy  technique have been carried out  in 

simulation and experimental modes with Janglova [99] technique (Figures 5.23 –

5.29) for single mobile robot. In  the similar environments  the developed neuro‐

fuzzy technique is found to be more efficient compared to Janglova technique in 

reference  to  the navigational path. Similarly a  comparison has been done with 

the  developed  neuro‐fuzzy  technique  in  simulation  and  experimental modes 

with Marichal  et  al.  [113]  for multiple mobile  robots  (Figures  5.30  –  5.40). For 

similar  environment  robots  embedded  with  the  developed  neuro‐fuzzy 

technique  performs  more  efficiently  in  terms  of  path  length.  The  developed 

neuro‐fuzzy  technique  can  handle  efficiently  the  navigation  of  one  thousand 

mobile robots at a time. 

 

 

 

 

 

 Figure 5.23. Initial scenario for navigation of one mobile robot. 

Target 

Rectangular obstacles 

Rectangular obstacles

Circular obstacles 

Rectangular obstacles

Robot 

Page 142: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

112

Figure  5.24.  Navigation  path  for  one  mobile  robot  to  reach  target  using developed neuro‐fuzzy technique.  

 Figure 5.25. Navigation path for one mobile robot to reach target for the similar environment as shown in Figure 5.23 (Janglova D., [99]). 

Page 143: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

113

Figure 5.26. Initial scenario for real robot as shown in Figure 5.23. 

Figure 5.27. Intermediate scenario‐ one for real robot (Khepera II). 

 

Figure 5.28. Intermediate scenario‐two for real robot (Khepera II). 

  

Figure 5.29. Final scenario of real robot (Khepera II) at the target. 

Khepera IITarget

Navigation path of Robot 

Page 144: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

114

 

 

 

 

 

 

Figure 5.30. Initial scenario for navigation of two mobile robots.

 Figure 5.31. Navigation path of two mobile robots after reaching the target using developed neuro‐fuzzy technique. 

Starting point of robot 1 

Starting point of robot 2 

Target 

ObstaclesObstacles

Obstacles 

Navigation path for robot 1 

Navigation path for robot 2 

Page 145: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

115

 Figure  5.32. Navigation  path  of  two  robots  to  reach  the  target  for  the  similar environment as Figure 28. (Marichal G. N. et al., [113]). 

Figure  5.33.  Initial  scenario  for  two  real  robots  (Khepera  II  and  Boe‐Bot)  for similar simulated environment as shown Figure 5.32.     

Boe‐Bot robot Khepera II 

Target

Page 146: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

116

 

 Figure 5.34. Intermediate scenario‐ one for two real robots (Khepera II and Boe‐Bot). 

Figure 5.35. Intermediate scenario‐ two for two real robots (Khepera II and Boe‐Bot). 

 

 

 

 

 

Figure 5.36. Intermediate scenario ‐ three for two real robots (Khepera II and Boe‐Bot). 

Page 147: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

117

Figure  5.37.  Final  scenario  of  two  real  robots  ‘Khepera  II  and  Boe‐Bot’  at  the target. 

 Figure 5.38. Initial scenario for four mobile robots. 

Navigation path for Boe‐Bot 

Navigation path for Khepera ‐ II 

(Starting point of robot 1) 

(Starting point of robot 2) 

(Starting point of robot 3) 

(Starting point of robot 4) 

Obstacle

Target

Obstacles 

Obstacles 

-100 ‐50  0 50 100 150 

-80

-60

-40

-20

20

40

6

80

100 

Page 148: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

118

Figure  5.39.  Navigation  path  for  four  mobile  robots  to  reach  target  using developed neuro‐fuzzy technique. 

Figure  5.40. Navigation path  of  four  robots  to  reach  the  target  for  the  similar environment as Figure 5.40 (Marichal G. N. et al. [113]). 

Navigation path of robot 4 

Navigation path of robot 2 

Navigation path of robot 3 

-100 ‐50  0 50 100 150 -80

-60

-40

-20

20

40

60

80

100 

Navigation path of  robot 1 

Page 149: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

119

5.5 Summary

This chapter has described  techniques  for navigation of multiple mobile  robots 

using neural network technique and neuro‐fuzzy technique in a highly cluttered 

environment. With  these  techniques mobile  robots  can  avoid obstacles  around 

them. With the use of Petri net model they are capable of negotiating each other. 

They  can  find  targets  successfully  in  a  cluttered  environment. One  thousand 

mobile  robots  can  navigate  successfully  by  using  neuro‐fuzzy  technique. 

Comparisons of performances among different developed techniques have been 

carried  out.  Also  comparisons  of  the  developed  neuro‐fuzzy  technique  with 

those  developed  by  Marichal  et  al.  and  Janglova  have  been  carried  out  in 

simulation and experimental modes. From  the analysis  it  is concluded  that  the 

developed  neuro‐fuzzy  technique  is  most  efficient  among  all  the  techniques 

described in the present investigation. 

 

 

 

 

 

 

Page 150: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

120

6 Rule Based Technique

6.1 Introduction

This  chapter  focuses  on  rule‐based  techniques.  In  a  rule  base  system,  the 

knowledge of the environment is stated declaratively in the form of rules. Rules 

are  one  of  the major  types  of  knowledge  representation  formalisms  used  in 

expert  systems.  The main  components  of  a  typical  rule‐based  system  are:  the 

working memory, the rule base and the inference engine. The working memory 

contains  information  about  the particular  instant of  the problem being  solved. 

The rule base  is a set of rules, which represent  the problem solving knowledge 

about the domain. A rule contains a set of conditions (antecedents) and a set of 

conclusions  (consequents).  The  inference  engine  uses  the  rule  base  and  the 

working memory to derive new information.  

The  rule‐based  controller  is  basically  a  look‐up  table  technique  for 

representing  complex  nonlinear  systems.  Each  rule  in  a  rule‐base  is  a motion 

control  command  for  a  specific  combination  of  present  and  desired  states. A 

correct rule should be able to transform the robot from the present to the desired 

states  in  a  sense  of  a  predetermined  performance  criterion.  All  rule‐based 

systems  need  a  control  strategy  to  decide  conflicts  between  two  or  more 

applicable rules. No matter how these rules are derived, they totally depend on 

the  environment  in which  the  robot  is  operated.  In  order  to  ensure  the  best 

performance  and  safety  of  the  robot,  the  rule‐base  needs  to  be  modified  to 

overcome  environmental  variations.  In  most  cases,  environmental  conditions 

affect  the  entire  rule‐base.  Rather  than modifying  each  rule  individually, we 

investigate the possibility of modifying all the rules at once using Clematine rule‐

base software [160]. 

Page 151: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

121

Navigation  of multiple mobile  robots  in  presence  of  static  and moving 

obstacles  using  rule‐based  technique  is  presented  in  this  work.  First,  the 

extraction of  a  set of navigation  rules  is  extracted  from  the data base  through    

‘See 5’ algorithm. The  rules are used on  their own  to control  the navigation of 

multiple mobile robots. Also the rules are combined together, which gives rise to 

a rule‐based technique for control of mobile robots. The rules used can be used 

on  their  own  to  control  the  navigation  of  multiple  robots  or  they  can  be 

combined with another  tool  to produce a hybrid navigation  control  technique. 

Both possibilities are described in this chapter. 

 

 

Part of contents of this chapter has been published in 

• “Navigation  of Multiple Mobile  Robots Using  Rule‐based‐Neuro‐Fuzzy 

Technique”, International Journal of Computational Intelligence, (2006), Vol. – 

3(2), pages 142 – 152. 

• “Path  planning  using  rule‐based  approach  for  navigation  of  multiple 

mobile Robots”, N.I.T., Rourkela, ISTAM – 2004, Page No.: 56. 

• “Rule base Technique for Navigation of Multiple Mobile Robots”, NCME‐

03, TITE, Patiala, November, 2003, Pages: 432‐438.  

 

 

 

 

Page 152: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

122

6.2 Rule Based Technique for Mobile Robots

The  rules  used  for  navigation  of  multiple  mobile  robots  are  generated  by 

induction from examples. Approximately one thousand examples are fed to See5. 

See5  is a  rule  induction program, within  the Clementine data mining  software 

package  [160].    See5  employs  a  sophisticated  divide‐and‐conquer  technique 

originating from ID3 family of algorithms [161]. 

The examples present the situations encountered by a robot while moving 

in a multi‐robot, highly  cluttered environment, and  the actions  that each  robot 

has  to  take  to avoid colliding with other robots as well as with  fixed obstacles. 

Each example is consisting of four input elements specifying the distances of the 

obstacles  to  left,  to  right, and  in  front of  the  robot and  the  target angle and an 

output  element  giving  the  change  in  the  steering  angle  of  the  robot  being 

required in response to the input data. Some of the rules are mentioned below: 

Left  obstacle  distance,  Front  obstacle  distance,  Right  obstacle  distance,  Target 

angle & Change in steering angle 

Sl. No.  Left obstacle distance  

Front obstacle distance 

Right obstacle distance 

Target angle 

Change in steering angle 

1  60  60  10  12  ‐7 

2  60  50  32  12  ‐9 

3  60  26  54  12  ‐5 

4  60  23  18  14  ‐8 

5  60  24  42  14  ‐7 

6  60  23  52  14  ‐5 

7  60  25  28  16  ‐7 

8  60  56  46  16  ‐9 

9  34  60  10  20  7 

10  60  60  38  29  9 

Page 153: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

123

11  23  60  40  16  ‐9 

12  60  60  18  22  10 

13  35  60  40  22  11 

14  60  60  26  24  12 

15  34  60  10  26  13 

16  45  11  60  ‐15  10 

17  60  59  60  23  8 

18  60  49  60  18  ‐8 

19  26  47  60  18  ‐8 

20  60  53  60  ‐8  8 

21  26  49  60  12  9 

22  60  51  60  9  15 

23  34  11  60  19  10 

24  53  60  38  10  ‐6 

25  49  60  60  ‐10  7 

26  30  60  60  ‐10  7 

27  52  60  39  12  ‐8 

Rule 6 described that if the robot is finding an obstacle at a distance 60 to 

the left, 52 to the right, 23 to the front and the robot is moving at target angle of 

14, then change in steering angle required to reach the target as well as to avoid 

the obstacles is ‐5. In this rule, the distances are in cm each and target angle and 

the change in steering angle are in degrees. 

In this exercise one thousand seven hundred (Appendix ‐ E) situations are 

fed to See5. From these situations, See5 yields 54 rules. Out of 54 rules ten rules 

are listed below: 

 

 

 

Page 154: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

124

Rule 1 

 

 

 

Rule 2 

 

 

 

Rule 3 

   

 

 

Rule 4 

 

 

 

Rule 5 

 

 

 

 

 

If   (left obstacle distance  >  20  cm)  and  (front  obstacle distance  <=  12 cm) and (right obstacle distance <= 30 cm) and (target angle > 10˚) and (target angle <= 12˚)  

Then  Change in steering angle = ‐7˚ 

If   (left obstacle distance  >  12  cm)  and  (front  obstacle distance  <=  20 cm) and  (right obstacle distance <= 30 cm) and  (target angle > 14˚) and (target angle <= 16˚)    

Change in steering angle = ‐7˚ 

If   (left obstacle distance  >  18  cm)  and  (front  obstacle distance  <=  12 cm)  and  (right  obstacle  distance  >  30  cm)  and  (right  obstacle distance <= 48 cm) and (target angle > 12˚) and (target angle <= 14˚)  

Then  Change in steering angle = ‐7˚ 

If   (left  obstacle distance  >  18  cm)  and  (front  obstacle distance  <=  12 cm)  and  (right  obstacle  distance  >  30  cm)  and  (right  obstacle distance <= 48 cm) and (target angle > 14˚) and (target angle <= 16˚)  

Change in steering angle = ‐9˚ 

If   (left obstacle distance <= 28 cm) and  (front obstacle distance <= 30 cm)  and  (right  obstacle  distance  >  30  cm)  and  (right  obstacle distance <= 48 cm) and (target angle > 10˚) and (target angle <= 12˚)  

Then  Change in steering angle = ‐9˚ 

Page 155: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

125

Rule 6 

 

 

 

Rule 7 

 

 

 

Rule 8 

 

 

 

Rule 9 

 

   

 

Rule 10 

 

   

   

 

If   (left obstacle distance  >  18  cm)  and  (front  obstacle distance  <=  32 cm) and  (right obstacle distance > 48  cm) and  (target angle > 10˚) and (target angle <= 16˚)  

Then  Change in steering angle = ‐5˚ 

If   (left  obstacle distance  >  25  cm)  and  (front  obstacle distance  <=  32 cm) and (right obstacle distance <= 31) and (target angle > 29˚) and (target angle <= 30˚) 

Then  Change in steering angle = ‐8˚ 

If   (left obstacle distance  >  15  cm)  and  (front  obstacle distance  <=  30 cm) and (right obstacle distance <= 30) and (target angle > 12˚) and (target angle <= 14˚) 

Then  Change in steering angle = ‐8˚ 

If   (left  obstacle distance  >  20  cm)  and  (front  obstacle distance  <=  24 cm) and (right obstacle distance <= 29) and (target angle > ‐30˚) and (target angle <= ‐19˚) 

Then  Change in steering angle = ‐8˚ 

If   (left  obstacle distance  >  20  cm)  and  (front  obstacle distance  <=  22 cm) and (right obstacle distance <= 30) and (target angle > 16˚) and (target angle <= 20˚) 

Then  Change in steering angle = 7˚ 

Page 156: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

126

6.2.1 Analysis of Rule-Based Technique

In  this  analysis  various  rules  are  extracted  and  subsequently  experimented 

separately and collectively. The  rules are extracted  from  the data base  through 

the rule‐based technique ‘See 5’ (Appendix ‐ D). The rules extracted by ‘See 5’ are 

experimented individually and the results are shown in Figures 6.1 ‐ 6.4. During 

robots’ exercise, it is observed that the robots either collide with the obstacles or 

collide with the walls of the enclosure. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 6.1. Scenario before applying rule 1. 

8 Robots

Obstacles

Obstacles

Obstacles 

Obstacles

Page 157: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

127

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 6.2. Final scenario when rule 1 is activated. 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 6.3. Final scenario when rule 2 is activated. 

Obstacles Obstacles 

Obstacles 

Recorded paths of  robots 

Collide with obstacle 

Collide with obstacle 

Collide with obstacles 

Collides with obstacle 

Collide with walls 

Recorded paths of robots 

Collide with obstacles 

Collides with obstacles 

Collides with obstacles Collide with walls 

Collides with  obstacle 

Page 158: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

128

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 6.4. Final scenario when rule 8 is activated. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Figure 6.5. Scenario before applying all the rules simultaneously. 

Obstacles 

Obstacles 

Recorded paths of robots 

Collides  with  wall 

Collides with obstacles 

Collides with the wall

Obstacles 

Obstacles 

Obstacles 

15 Robots

Obstacles 

Page 159: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

129

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 6.6. Final scenario when are the rules are applied simultaneously. 

The  set of  all  the  54  induced  rules perform better. From  the  simulation 

results it is noticed that some robots are not able to avoid obstacles. The scenarios 

are shown in Figures 6.5 and 6.6. 

In addition to the above rules, some rules are incorporated to fine tune the 

rule‐based system. The new rules are required, as the induced rules do not cover 

all situations encountered by the robots. 

The additional rules are listed below: 

Rule 55 

 

 

 

If   (left obstacle distance  <=  20  cm)  and  (front  obstacle distance  >  20 cm)  and  (right  obstacle  distance  >  25  cm)  and  (right  obstacle distance<=30 cm) and (target angle > 23˚) and (target angle <= 40˚) 

Then  Change in steering angle = 8˚ 

 Recorded path of robots 

Collides with obstacles 

Collides with the obstacles 

Collides with obstacles 

Collide with the wall 

Page 160: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

130

Rule 56 

 

 

 

 

 

 

Rule 57 

 

 

 

 

 

 

 

Rule 58 

 

 

 

 

 

 

 

Rule 59 

 

 

 

 

 

If   (left obstacle distance  >  15  cm)  and  (front  obstacle distance  <=  10 cm)  and  (right  obstacle  distance  <=  30cm)  and  (right  obstacle distance  >23  cm)  and  (front  obstacle distance  >  20  cm)  and  (right obstacle distance  >  20  cm)  and  (left  obstacle distance>20  cm)  and  (target angle > 18˚) and (target angle <= 24˚) 

Then  Change in steering angle = 10˚ 

If   (left obstacle distance <= 5 cm) and (front obstacle distance > 20 cm) and  (right obstacle distance  <=  30cm)  and  (right obstacle distance >20  cm)  and  (front  obstacle distance  >  20  cm)  and  (right  obstacle distance  >  20  cm)  and  (left  obstacle  distance>20  cm)  and    (target angle > 10˚) and (target angle <= 18˚) 

Then  Change in steering angle = 4˚ 

If   (left obstacle distance <= 29 cm) and  (front obstacle distance <= 20 cm)  and  (right  obstacle  distance  <=  30cm)  and  (right  obstacle distance > 18  cm) and  (front obstacle distance > 20  cm) and  (right obstacle distance  >  20  cm)  and  (left  obstacle distance>20  cm)  and (target angle > 23˚) and (target angle <= 34˚) 

Then  Change in steering angle = 14˚ 

If   (front  obstacle  distance  <=  20  cm)  and  (right  obstacle  distance  <= 40cm)  and  (right  obstacle  distance  >  30  cm)  and  (front  obstacle distance  >  20  cm)  and  (right  obstacle  distance  >  20  cm)  and  (left obstacle distance> 20 cm) and (target angle > 10˚) and (target angle <= 23˚) 

Then  Change in steering angle = 6˚ 

Page 161: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

131

Rule 60 

 

 

  

Rule 61 

  

 

 

After including the above 7 rules the robots are able to navigate and reach their 

target efficiently in a highly cluttered environment.  

6.3 Rule-Based - Neuro-Fuzzy technique

The set of rulers forms the core of a pure rule‐based controller. This set of rules 

combined with other tools to yield a hybrid controller. Here rule‐based technique 

has  been  integrated with  neuro‐fuzzy  technique  to  improve  the  navigation  of 

robots in highly cluttered environment. 

The  resulting  architecture  is  shown  in  Figure  6.7.  The  role  of  the  rule‐

based  controller  is  to  estimate  the  initial  steering  angle  for  the  neuro‐fuzzy 

controller. Then the initial steering angle is fed to neural controller along with the 

distances  of  obstacles  to  the  left,  right  and  in  front  of  the  robot.  The  neural 

network  used  here  is  a  back  propagation multilayer  perceptron  having  four 

layers, which is discussed in Chapter‐5. The output of the neural network i.e., the 

second  estimate  steering  angle  is  fed  to  the  fuzzy  controller  along  with  the 

information concerning the distances of the obstacles in front and to the left and 

If   (front obstacle distance < 20 cm) or (right obstacle distance < 20 cm) or (left obstacle distance < 20 cm)  

Then  Change in steering angle = 7˚ 

If   (front obstacle distance < 14 cm) or (right obstacle distance < 14 cm) or (left obstacle distance < 14 cm)  

Then  Change in steering angle = 13˚ 

Page 162: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

132

right of the robot. The output of the fuzzy controller is to compute the velocities 

of the driving wheels. From the velocities of the driving wheel the steering angle 

is calculated  to avoid obstacles and  reach  the  target. The  fuzzy controller used 

here is a taken from Chapter‐4. 

 

 

Figure 6.7. Rule‐based‐neuro‐fuzzy technique for navigation of mobile robots. 

Input    layer 

First hidden layer 

Second hidden layer 

Output layer  

L.O.D. 

R.O.D.

F.O.D. 

First Estimated  Steering Angle 

Fuzzy ControllerL.O.D.

R.O.D.

F.O.D.L.W.V.

R.W.V.

Rule Base 

Con

troller 

L.O.D. R.O.D

F.O.D. 

T.A. 

L.O.D. = Left Obstacle Distance

R.O.D. = Right Obstacle Distance

F.O.D. = Front Obstacle Distance

L.W.V. = Left Wheel Velocity 

R.W.V. = Right Wheel Velocity 

T.A. = Target Angle

Second Estimated Steering Angle 

Neural Controller

Page 163: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

133

6.4 Demonstrations

The developed rule‐based technique and rule‐based‐neuro‐fuzzy technique have 

been  implemented  in  simulation  mode  with  different  environments. 

Experimental validations are carried out to compare with the simulation results. 

6.4.1 Rule-Based Technique

6.4.1.1 Obstacle Avoidance and Target Seeking by Multiple Mobile Robots

This  exercise  involves  fifteen mobile  robots  initially  assembled  into  one 

group.  Two  targets  are  present  in  the  scenario.  The  targets  are  located  in  U 

shaped partition shown in Figure 6.8. Figure 6.9 depicts the final position, when 

all the robots have reached the targets. 

6.4.1.2 Obstacle Avoidance by a Large Number of Robots

Obstacle  avoidance  by  one  thousand  mobile  robots  using  rule‐based 

technique  is shown  in Figures 6.10 and 6.11. Figure 6.10 depicts  the starting of 

the  exercise.  Figure  6.11  presents  the  state  after  few  seconds  the  exercise  has 

started. It can be noted that the robots stay well away from the obstacles as well 

as from each other. 

 

 

 

 

 

Page 164: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

134

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 6.8. Collision free movement using rule‐based technique. 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 6.9. Collision free movement using rule‐based technique.  

Obstacles

Obstacles

Obstacles

15 Robots

Target 

Target 

Recorded paths of Robots

Page 165: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

135

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure  6.10.  Navigation  of  one  thousand  robots  using  rule‐based  technique before starting of simulation. 

 

 

 

 

 

 

 

  Figure 6.11. Navigation of one thousand robots after some time from the starting of the mission using rule‐based technique. 

Obstacles 

200 Robots 

200 Robots

200 Robots 

200 Robots

200 Robots

Obstacle 

Obstacle 

Obstacle 

Obstacles 

1000 Robots 

Page 166: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

136

6.4.1.3 Escape from Dead Ends

Figures  6.12  and  6.13  show  the  ability  of  the  robots  to  escape  from  the 

dead  ends  using  rule‐based  technique.  Fifteen  robots  are  involved  in  this 

exercise. Figure 6.12 depicts the situation at the beginning of the exercise. The U‐

shaped and  rectangular obstacles are  causing dead  ends  for  the  robots. Figure 

6.13 shows all the robots efficiently negotiate the dead ends and reach their target 

successfully. 

6.4.1.4 Collision Free Movements in a Cluttered Environment

Figures 6.14 and 6.15 relate to a problem designed to demonstrate that the 

robots  reach  their  targets  in  a  highly  cluttered  environment without  colliding 

with obstacles. Figure 6.13 depicts the beginning and Figure 6.14 shows the end 

of  the  exercise  where  all  the  robots  reach  their  targets  efficiently  without 

colliding with each other.  In  this exercise only  two robots have been employed 

for proper visualisation. Robot 1 has travelled through path a‐b‐c‐d‐e‐f‐g‐h‐I‐j‐k‐

l‐m‐n and Robot 2 traced path u‐v‐w‐x‐y‐z.  

 

 

 

 

 

 

 

Page 167: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

137

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 6.12. Environment for escaping from the dead ends before starting of the mission using rule‐based technique. 

 

 

 

 

 

 

 

  Figure  6.13.  Environment  for  escaping  from  the  dead  ends  after  the  robots reaches their targets using rule‐based technique. 

Obstacles

15 Robots 

Target 

Obstacles

Recorded paths of robots 

Page 168: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

138

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 6.14. Two robots in a highly cluttered environment for finding the targets using rule‐based technique (Initial scenario). 

 

 

 

Figure 6.15. Recorded paths of two robots after reaching their target.

ac 

b

d

i

g

fe

m

k

j

uv

w

x

Obstacles

TargetRobot 1Target 

Obstacles

Robot 2

Page 169: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

139

6.4.2 Rule-Based-Neuro-Fuzzy Technique

6.4.2.1 Escape from Dead Ends

Figures 6.16 and 6.17 show  the ability of  the robots  to escape  from dead 

ends and find the target. Figure 6.16 shows the situation at the beginning of the 

exercise.  Ten  robots  are  involved  in  the  exercise.  Two  of  the  obstacles  are U‐

shaped and two obstacles are rectangular shape representing a dead end. From 

Figure  6.17,  it  can  be  seen  that  all  the  robots which  are  trapped  inside  have 

escaped and able to negotiate with dead ends and find the target successfully.  

6.4.2.2 Navigation by Nine Hundred Ninety Mobile Robots

Obstacle  avoidance  by  ‘nine  hundred  ninety’  robots  using  rule‐based‐

neuro‐fuzzy technique is shown in Figures 6.18 and 6.19. Figure 6.18 depicts the 

state at  the beginning of  the exercise where as Figure 6.19  shows  the  situation 

some time after the exercise has begun. It can be seen that the robots are stay well 

away from the other robots and from the obstacles. 

6.4.2.3 Inter Robot Collision Avoidance

This exercise relates to a problem designed to demonstrate that, the robots 

do not collide with each other even  in a highly cluttered ambience. Figure 6.20 

depicts the beginning of the exercise where as Figure 6.21 shows the trajectories 

of  the  robots  for  the  rule‐based‐neuro‐fuzzy controller.  It can be noted  that  the 

robots  are  able  to  resolve  conflict  and  avoid  one  another  and  reach  the  target 

successfully. 

 

 

Page 170: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

140

Figure 6.16. Escape from dead ends by ten mobile robots using rule‐based‐neuro‐ fuzzy technique (Initial State). 

 Figure 6.17. Escape  from dead  ends by  fifteen mobile  robots using  rule‐based‐neuro‐ fuzzy technique (Final State). 

Obstacles 

Target 

10 Robots 

Obstacles

Obstacles

Page 171: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

141

Figure  6.18. Navigation  scenario  of  nine  hundred  ninety mobile  robots  using rule‐based‐neuro‐ fuzzy technique (Initial State). 

 

Figure 6.19. Navigation of nine hundred ninety mobile robots using rule‐based‐neuro‐ fuzzy technique (Intermediate State). 

165 Robots 

Obstacle

Obstacles 

Obstacles

165 Robots 

165  Robots 

165 Robots 

165  Robots 

165  Robots 

Page 172: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

142

Figure 6.20. Collision  avoidance by  two mobile  robots using  rule‐based‐neuro‐ fuzzy technique (Initial State). 

 

Figure  6.21. Collision  avoidance  between  two mobile  robots  using  rule‐based‐neuro‐ fuzzy technique (Final State). 

Obstacles Robot 2

TargetRobot 1Target 

Obstacles

Obstacles  Obstacles 

Recorded path of robot 1Recorded 

path of robot 2

Page 173: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

143

6.4.2.4 Experimental Validation with the Simulation Results for Two Mobile Robots

Experimental validation of the developed rule‐based‐neuro‐fuzzy technique has 

been  compared with  the  simulated  result as  shown  in Figure 6.20.  It has been 

observed  that  real  robots  follow  closely  simulated  path  (Figure  6.21).  The 

experimental results are shown in Figures 6.22 ‐ 6.25. 

 

 

Figure 6.22. Experimental  result  for  two mobile  robots using  rule‐based‐neuro‐fuzzy technique (Initial stage).  

 

 

 

 

 

 

   Figure 6.23. Experimental  result  for  two mobile  robots using  rule‐based‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate stage ‐ one). 

Page 174: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

144

Figure 6.24. Experimental  result  for  two mobile  robots using  rule‐based‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate stage ‐ two). 

Figure 6.25. Experimental  result  for  two mobile  robots using  rule‐based‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate stage ‐ three).  

  

Figure 6.26. Experimental  result  for  two mobile  robots using  rule‐based‐neuro‐fuzzy technique (Final stage). 

Page 175: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

145

6.5 Comparison between Different Controllers

This exercise is similar to the exercise demonstrated in Section‐5.4. A comparison 

is  conducted  to determine  the most appropriate  technique  for multiple mobile 

robots  control  out  of  rule‐based  and  rule‐based‐neuro‐fuzzy  techniques.  An 

exercise has been devised to compare the performances of the rule‐based and the 

rule‐based‐neuro‐fuzzy techniques. In all the exercises one robot is located inside 

four obstacles and one target hidden from the robot view is present. Figure 6.27 

represents the initial condition of the environment for all the techniques. Figures 

6.28  and  6.29  depict  the  path  traced  by  the  robot  using  rule‐based  and  rule‐

based‐neuro‐fuzzy  techniques  respectively. Total path  lengths using  rule‐based 

and  rule‐based‐neuro‐fuzzy  techniques  are measured  in  pixels  for  four,  eight, 

ten,  sixteen,  twenty‐four,  forty,  fifty,  and  seventy  robots. The path  lengths  are 

taken  statistically  from  one  thousand  simulation  results.  The  final  results  are 

given in Table 6.1. Similarly time taken to reach the target using rule‐based and 

rule‐based‐neuro‐fuzzy  techniques  is measured  for  the  same number of  robots 

using statistical method. The results are given in Table 6.2. From the path lengths 

and  search  times  it  is  concluded  that  the  rule‐based‐neuro‐fuzzy  controller 

performs the best. 

 

 

 

 

 

 

Page 176: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

146

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 6.27. Environment for one robot and one target. 

 

 

 

 

 

 

 

  

Figure  6.28. Navigation  path  for  one mobile  robot  to  reach  target  using  rule‐based controller. 

Recorded path of robot 

One Robot 

Rectangular Obstacles 

U‐Shaped Obstacles  

Target  

Page 177: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

147

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure  6.29. Navigation  path  for  one mobile  robot  to  reach  target  using  rule‐based‐neuro‐fuzzy controller.    

Number of robots 

Total path length in pixels using rule‐based technique 

Total path length in pixels using rule‐based‐neuro‐fuzzy 

technique 4  375  295 8  1297  614 10  1418  679 16  2083  1465 24  3115  2107 40  4866  3692 50  5912  3994 70  12992  7497 

  Table 6.1. Path lengths using different rule base techniques.   

Recorded path of robot 

Page 178: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

148

Number of robots 

Total time taken in seconds using rule‐based technique 

Total time taken in seconds using rule‐based‐neuro‐fuzzy 

technique 4  12.36  8.48 8  28.12  18.04 10  29.97  19.50 16  34.65  28.52 24  56.24  45.57 40  79.07  64.31 50  135.44  108.46 70  266.92  182.16 

 Table 6.2. Time taken to reach the target using different techniques. 

6.5.1 Experiments with Single Real Mobile Robot

Figures  6.30  ‐  6.35  show  the  experimental  results  for  rule‐based‐neuro‐fuzzy 

controllers  of  a  single  mobile  robot  similar  to  the  simulated  environment    

(Figure 6.27). The experimental paths drawn follow closely the path traced by the 

robot during simulation. It is observed that the robots are able to avoid obstacles 

and  reach  the  target.  A  comparison  (Table  6.3)  has  been made  between  the 

simulation and experimental results for average times taken by the robots during 

obstacles avoidance and target seeking.  

 

 

 

 

  Figure  6.30.  Experimental  result  of  one  robot  using  rule‐based‐neuro‐fuzzy technique (Initial stage).  

Page 179: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

149

 

 

 

 

 

 

  Figure  6.31.  Experimental  result  of  one  robot  using  rule‐based‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate stage ‐ I). 

 

 

 

 

 

 

  

Figure  6.32.  Experimental  result  of  one  robot  using  rule‐based‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate stage ‐ II).  

 

 

      

Figure  6.33.  Experimental  result  of  one  robot  using  rule‐based‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate stage ‐ III).  

Page 180: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

150

  

 

 

 

 

 

  Figure  6.34.  Experimental  result  of  one  robot  using  rule‐based‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate stage ‐ IV). 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Figure  6.35.  Experimental  result  of  one  robot  using  rule‐based‐neuro‐fuzzy technique (Final stage).  

Total time taken during simulation in seconds 

Total time taken during experiment in seconds 

Number of robots 

Rule‐based technique 

Rule‐based‐neuro‐fuzzy technique 

Rule‐based technique 

Rule‐based‐neuro‐fuzzy technique 

1  11.01  8.21  12.21  8.56 2  11.56  8.36  13.16  10.02 4  12.36  8.48  13.51  10.26 

Table 6.3. Time taken by robots in simulation and experiment to reach the target (Rule‐based technique). 

Page 181: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

151

6.6 Summary

This chapter has described rule‐based and rule‐based‐neuro‐fuzzy techniques for 

control  of multiple mobile  robots.  The  rule  base  technique  has  a  set  of  rules 

obtained through rule induction and enhanced with manually derived heuristics. 

The enhanced set of rules  is a component of  the hybrid rule‐based‐neuro‐fuzzy 

technique.  The  demonstrations  reported  in  this  chapter  have  highlighted  the 

superior  performance  of  the  rule‐based‐neuro‐fuzzy  technique  over  other 

techniques discussed.  

 

Page 182: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

152

7 Potential Field Navigation Technique

7.1 Introduction

This chapter presents a potential field navigation technique for robot navigation. 

The developed potential  field  function  takes care of both obstacles and  targets. 

The  final  aims  of  the  robot  are  to  reach  some  pre‐defined  targets.  The  new 

potential function can configure a free space, which is free from any local minima 

irrespective  of  number  of  repulsive  nodes  (obstacles)  in  the  configured  space. 

There is a unique global minimum for an attractive node (target) whose region of 

attraction  extends  over  the  whole  free  space.  Navigation  of  multiple  mobile 

robots in presence of static and moving obstacles using potential field navigation 

technique is presented in this chapter. The attractive potential function is defined 

as a function of relative position of the target with respect to robot. The repulsive 

potential  function  is also defined as  the relative position of robots  in respect of 

the  obstacles.  The  derived  repulsive  function  is  so  considered  that  the  total 

potential has a global minimum at the target position. 

 

Part of contents of this chapter has been published in 

• “Potential  field  method  to  navigate  several  mobile  robots”,  Applied 

Intelligence, (2006), Vol. 25 pages 321 – 333. 

• “Potential  Field Method  for Navigation  of Multiple Mobile  Robots”, NIT, 

Hamirpur, RDFTME‐2006, Pages 446 – 454. 

• “Potential‐Field‐Neuro‐Fuzzy  Technique  for Navigation  of  Several Mobile 

Robots”, N.I.T., Rourkela, ETCE‐2005, Pages 73 – 84. 

Page 183: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

153

7.2 Analysis of Potential Field Navigation technique

In this section, a through analysis of navigation of multiple mobile robots using 

potential field navigation technique is described. 

The motion‐planning  problem  for multiple mobile  robots  in  a  dynamic 

environment  is  to  control  the  robots motion  from  an  initial  position  to  final 

targets, while avoiding obstacles. 

Two assumptions are made to simplify the analysis: 

Assumption 1:  The robots are of mass point.  

Assumption 2:   The  robots  moves  in  a  two  dimensional  workspace.  It’s 

position in the workspace is denoted by q = [x, y] is known.  

 

7.2.1 Attractive Potential Function

The attractive potential function used [162] is, 

( ) ( )δρ= matt Target

1U q         q , q  2

            (7.1) 

Where δ  is a positive scaling factor  

( ) || q - q || q , q TargetTarget =ρ  is the distance between the robot q and the target  Targetq  

and m = 2. 

The attractive potential  force  is given by  the negative gradient of  the attractive 

potential field. 

( ) ( ) ( )δ= ∇ =att att TargetF q    ‐  U q     q  ‐ q   (7.2) 

Where the operator  ∂ ∂ ∂∇

∂ ∂ ∂ˆˆ ˆ =     +     +   

x y zi j k  

Page 184: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

154

7.2.2 Repulsive Potential Function

The repulsive potential function used [162] is, 

( ) ( ) ( )

( )

α ρ ρρρ

ρ ρ

⎧ ⎛ ⎞⎪ ⎜ ⎟ ≤⎪ ⎜ ⎟= ⎨ ⎝ ⎠⎪⎪⎩

i

i

i

2

i 0obs0obsrep i

0obs

1 1 1     ‐        if  q , q  2   q , qU   obs    

0                                                 if  q , q  > 

 

    (7.3) 

( ) ( )= ∇rep i rep iF   obs    ‐ U   obs         

Where i = 1 to n, n is number of obstacles, ‘α i ’is the positive scaling factor, 

0 =ρ Positive  constant  denoting  influences  of  the  obstacle  on  the  robot  and 

( )ρiobs  q , q   is the minimum distance from the robot ‘q’ to the obstacle.  

In the environment shown in Figure 7.1 three obstacles are surrounded the target 

and robot.  

The repulsive potential forces due to obstacle 1, 2 and 3 are: 

For obstacle 1,  ( )rep 1F   obs   =  

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( ) ( )

α ρρρ ρ

α ρρρ ρ

α ρρρ ρ

⎛ ⎞ ∂⎜ ⎟⎜ ⎟ ∂⎝ ⎠⎛ ⎞ ∂⎜ ⎟⎜ ⎟ ∂⎜ ⎟⎝ ⎠⎛ ⎞ ∂⎜ ⎟⎜ ⎟ ∂⎝ ⎠

1x

1x 1x

1y

1y 1y

1

1z 1z

2 x obs20x xobs obs

2 y obs20y yobs obs

2 z obs20z zobs obs

1 1 1 ˆ   ‐      q  , q  x  q  , q   q  , q

1 1 1 ˆ+     ‐      q  , q  y  q  , q   q  , q

1 1 1+     ‐      q  , qz  q  , q   q  , q

i

j

( ) ( )

( )

ρ ρ

ρ ρ

⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪ ≤⎪⎪⎪⎩

z 1

1

0obs

0obs

ˆ    if    q , q    

0                                                                                                            if    q , q   > 

k

(7.4) 

Page 185: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

155

   

 

 

 

 

 

 

 

 Figure 7.1. Location of target, robot and obstacles.  

 

For obstacle 2,  ( )rep 2F   obs  =  

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( ) ( )

α ρρρ ρ

α ρρρ ρ

α ρρρ ρ

⎛ ⎞ ∂⎜ ⎟⎜ ⎟ ∂⎝ ⎠⎛ ⎞ ∂⎜ ⎟⎜ ⎟ ∂⎜ ⎟⎝ ⎠⎛ ⎞ ∂⎜ ⎟⎜ ⎟ ∂⎝ ⎠

2x

2x 2x

2y

2y 2y

2

2z 2z

2 x obs20x xobs obs

2 y obs20y yobs obs

2 z obs20z zobs obs

1 1 1 ˆ   ‐      q  , q  x  q  , q   q  , q

1 1 1 ˆ+     ‐      q  , q  y  q  , q   q  , q

1 1 1+     ‐      q  , qz  q  , q   q  , q

i

j

( ) ( )

( )

ρ ρ

ρ ρ

⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪ ≤⎪⎪⎪⎩

z 2

2

0obs

0obs

ˆ    if    q , q    

0                                                                                                          if    q , q   > 

k

  

  (7.5) 

y

x

(0,1)

(0, 0.5) 

(1,0) Obstacle 1 (0.5,0)(0.0)

(0, ‐0.5)

(0, -1)

Target(‐0.5,0)RobotObstacle 2

(‐1,0) 

Obstacle 3(‐0.5, 0.5)

Page 186: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

156

For obstacle 3,  ( )rep 3F   obs  = 

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( ) ( )

α ρρρ ρ

α ρρρ ρ

α ρρρ ρ

⎛ ⎞ ∂⎜ ⎟⎜ ⎟ ∂⎝ ⎠⎛ ⎞ ∂⎜ ⎟⎜ ⎟ ∂⎜ ⎟⎝ ⎠⎛ ⎞ ∂⎜ ⎟⎜ ⎟ ∂⎝ ⎠

3x

3x 3x

3y

3y 3y

3x 3x

3 x obs20x xobs obs

3 y obs20y yobs obs

3 x ob20x xobs obs

1 1 1 ˆ   ‐      q  , q    x  q  , q   q  , q

1 1 1 ˆ+     ‐      q  , q    y  q  , q   q  , q

1 1 1+     ‐      q  , qz  q  , q   q  , q

i

j

( ) ( )

( )

ρ ρ

ρ ρ

⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪ ≤⎪⎪⎪⎩

3x 3

3

0s obs

0obs

ˆ     if    q , q    

0                                                                                                            if   q , q    > 

k

   

  (7.6) 

Total potential influences on the robot { TotalU } =  

Attractive potential due to target { attU } +  

Repulsive potential due to ‘n’ number of obstacles  ( )⎧ ⎫⎨ ⎬⎩ ⎭∑n

rep ii=1U   obs  

( )= + ∑n

att rep iTotali=1

U    U     U   obs   (7.7) 

Similarly  the  total  force  applied  on  the  robot  is  the  sum  of  attractive 

potential force and repulsive potential forces. 

  ( )= + ∑n

att rep iTotali=1

F    F      F   obs           (7.8) 

When  the  above‐induced  forces  are  applied  on  a  robot  where  three 

obstacles are present in the environment along with target, it was observed that 

the robot would trap in local minimum. 

In the example described in Figure 7.1 the robot position q = [x, 0], target 

position  targetq   =  [0,  0],  obstacle1 1obsq   =  [0.5,  0]  on  the  right‐hand  side  of  the 

Page 187: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

157

target, obstacle2 2obsq =[‐1,0] on the left‐hand side of the target and obstacle3 

3obsq  

=  [‐0.5,  0.5]  present  in  the  environment. Here  target  and  robot  are within  the 

influence of obstacles.  

Total potential function  

( )= + ∑n

att rep iTotali=1

U    U     U   obs  

 =  x 21 2δ + 

( )α

ρρ=

⎛ ⎞⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠

∑i

23

ii 1 0obs

1 1 1 ‐ 2 q , q

          (7.9A) 

( )= + ∑n

att rep iTotali=1

F    F      F   obs  

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( )

α ρρρ ρ

α ρρρ ρ

αρ

⎧ ⎫⎛ ⎞ ∂⎪ ⎪⎜ ⎟ + +⎨ ⎬⎜ ⎟ ∂⎪ ⎪⎝ ⎠⎩ ⎭⎧ ⎫

⎛ ⎞⎪ ⎪∂⎜ ⎟= + +⎨ ⎬⎜ ⎟ ∂⎪ ⎪⎝ ⎠⎩ ⎭

+

1x

1x 1x

2x

2x 2x

1 x obs20x xobs obs

2 x obs20x xobs obs

3

1 1 1 ˆˆ ˆ   ‐      q  , q       0       0  x  q  , q   q  , q

1 1 1 ˆˆ ˆ+     ‐      q  , q       0       0  y  q  , q   q  , q

1ˆ+    0          q

i j k

i j k

i( ) ( ) ( ) ( )ρ

ρ ρ

⎡ ⎤⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥⎧ ⎫⎛ ⎞⎛ ⎞⎢ ⎥∂⎪ ⎪⎜ ⎟⎜ ⎟ +⎨ ⎬⎢ ⎥⎜ ⎟⎜ ⎟ ∂⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎪⎢ ⎥⎝ ⎠⎢ ⎥⎝ ⎠⎩ ⎭⎣ ⎦

1y

3y 1y

y obs20y yobs obs

1 1 ˆˆ‐      q  , q       0  z , q   q  , q

j k

                    (7.9B) 

 

Page 188: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

158

 

 

 

 Figure 7.2. Total potential function. 

 

Figure  7.2  shows  the  variation  of  total  potential  field  with  respect  to  robot 

position along x‐axis when  1 2 3 1α α α δ= = = = and  2 0 =ρ . 

It can be seen from the graph (Figure 7.2) that the robot will be trapped at 

the minimum  (i.e.,  at  x  =  ‐0.2).  Therefore  it  is  clear  that  the  target  is  not  the 

minimum of the total potential function. The total force at x = ‐0.2 is zero. Thus 

the  robot  can not  reach  the  target,  though  there  is no  obstacle  on  its way. To 

overcome  this problem, new repulsive potential  functions are developed which 

considered the relative distance between the robot and the target into account.  

7.2.3 New Repulsive Potential Function

From the above discussion it is concluded that, the global minimum of the total 

potential  field  is  not  at  the  target  position.  This  problem  occurs  as  the  robot 

approaches the target, the repulsive potential force increases due to presence of 

obstacle  near  the  target.  It  is  observed  that  if  the  repulsive  potential  force 

0

10

20

30

40

50

60

70

-3 -2 -1 0 1 2 3xTo

tal p

otentia

l UTo

tal 

Page 189: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

159

approaches  zero,  the  robot  move  towards  the  target.  The  new  developed 

repulsive potential function that take the relative distance between the robot and 

the target is given in equation 7.10. 

( ) ( ) ( ) ( )

( )

α ρ ρ ρρρ

ρ ρ

⎧ ⎛ ⎞⎪ ⎜ ⎟ ≤⎪ ⎜ ⎟= ⎨ ⎝ ⎠⎪⎪⎩

2

ntarget 0obs

0obsrep

0obs

1 1 1     ‐      q , q     if    q , q    2 q , q U   obs      

0                                                                       if    q , q   > 

i

i

i

ii   

                    (7.10) 

To  attain  the  global minimum  at  the  target  for  the  environment where 

three  obstacles,  one  robot  and  one  target  present  using  equation  7.10,  the 

repulsive potential functions are given in equations 7.11 to 7.13. 

( ) ( ) ( ) ( )

( )

α ρ ρ ρρρ

ρ ρ

⎧ ⎛ ⎞⎪ ⎜ ⎟ ≤⎪ ⎜ ⎟= ⎨ ⎝ ⎠⎪⎪⎩

1

1

1

2

n1 target 0obs

0obsrep 1

0obs

1 1 1     ‐      q , q     if    q , q    2 q , q U   obs      

0                                                                       if    q , q   > 

 

                    (7.11) 

  ( ) ( ) ( ) ( )

( )

α ρ ρ ρρρ

ρ ρ

⎧ ⎛ ⎞⎪ ⎜ ⎟ ≤⎪ ⎜ ⎟= ⎨ ⎝ ⎠⎪⎪⎩

2

2

2

2

n2 target 0obs

0obsrep 2

0obs

1 1 1     ‐       q , q    if    q , q    2 q , q U   obs      

0                                                                       if    q , q   > 

 

  (7.12) 

( ) ( ) ( ) ( )

( )

α ρ ρ ρρρ

ρ ρ

⎧ ⎛ ⎞⎪ ⎜ ⎟ ≤⎪ ⎜ ⎟= ⎨ ⎝ ⎠⎪⎪⎩

3

3

3

2

n3 target 0obs

0obsrep 3

0obs

1 1 1     ‐       q , q    if    q , q    2 q , q U   obs      

0                                                                        if    q , q  > 

 

                    (7.13) 

Page 190: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

160

   Where  ( ) ( ) ( )ρ ρ ρ1 2 3obs obs obs  q , q  ,    q , q ,     q , q  are the minimum distances 

between robot q and obstacles 1, 2 and 3.  

( ) q , q Targetρ is the distance between the robot and the target. 

These equations along with factor  ( )Targetn q , q ρ  drag the robot towards the 

nearest target, thus ensuring the robot to be at the global minimum. 

The total potential { TotalU } can be obtained using equation 7.7. 

For n = 2 and  δ α α α= = =1 2 3            = 1, Figures 7.4 to 7.11 shows there is only one 

minimum exist which is at the target.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 191: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

161

7.2.4 Robot Navigation

With  the  help  of  sensors  the  robot  will  detect  obstacles  around  it  in  the 

environment. Accordingly the robot will calculate the repulsive navigation forces 

(Figure 7.3).  

 

 

 

 

 

 

 

 Figure 7.3. Front‐rear axis and Left‐right axis of the robot. 

  ∑ Front‐rearF =  Resultant  repulsive  navigation  force  along  the  direction  of 

front‐rear axis of the robot due to the obstacles which influence the robot. 

  ∑ Left‐rightF = Resultant repulsive navigation force along the direction of left‐

right axis of the robot due to the obstacles which influence the robot. 

  θ = Current heading angle at which the robot moving in the environment. 

Change in steering angle (Phir [ir]) required for obstacle avoidance is 

  [ ]⎡ ⎤

= ⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦

‐1 Front‐rear

Left‐right

 FPhir ir    Tan  F

           (7.14) 

  New heading angle  newθ  =  θ + Phir [ir]        (7.15) 

Fron

t – re

ar axis 

Left‐right axis

Robot

Right Wheel of robotLeft Wheel of robot 

Front Wheel of robot 

Page 192: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

162

 

 

 

 

 

 

 

  Figure 7.4. Contour plot for total potential field when the target is located at the (0, 0) along with three obstacles.  

 

 

 

 

 

 

 

Figure 7.5. Surface plot for total potential field when the target  is  located at the (0,0) along with three obstacles.  

 

-2.50 -2.00 -1.50 -1.00 -0.50 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50-2.50

-2.00

-1.50

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

Obstacle‐1 

Obstacle‐2  

Obstacle‐3  

Target 

Contours of  potential field 

High value of potential due to Obstacle‐1 

High value of potential due to Obstacle-3

High value of potential due to Obstacle‐2 

Target

Page 193: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

163

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure  7.6. Orthographic  projection  for  total  potential  field when  the  target  is located at the (0.5, 0.5) along with three obstacles. 

 

 

 

 

 

 

 

  Figure 7.7. Axon metric representation for total potential field when the target is located at the (0.5, 0.5) along with three obstacles. 

-2.50 -2.00 -1.50 -1.00 -0.50 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50-2.50

-2.00

-1.50

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

Obstacle‐1 

Target Obstacle‐2  

Obstacle‐3  

Contours of potential  field 

High value of potential due  to Obstacle‐2 

Target 

High value of potential  due to Obstacle‐3 

High value of  potential due  to Obstacle‐1 

Page 194: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

164

 

 

 

 

 

 

 

 

 Figure 7.8. Contour plot for total potential field when the target is located at the (0, 0) along with four obstacles. 

 

 

 

 

 

 

 

  

Figure 7.9. Surface plot for total potential field when the target  is  located at the (0,0) along with four obstacles. 

-2.50 -2.00 -1.50 -1.00 -0.50 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50-2.50

-2.00

-1.50

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50 Obstacle‐1 

Contours of  potential field 

Obstacle‐3 

Obstacle‐2 

Obstacle‐4 

Target

High value of potential  due to Obstacle‐2 

Target 

High value of potential  due to Obstacle‐4 

High value of potential  due to Obstacle‐1 

High value of  Potential due  to Obstacle‐3 

Page 195: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

165

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 7.10. Orthographic projection  for  total potential  field when  the  target  is located at the (0.5, ‐ 0.5) along with four obstacles. 

  

 

 

 

 

 

 

Figure 7.11. Axon metric representation for total potential field when the target is located at the (0.5, ‐0.5) along with four obstacles. 

-2.50 -2.00 -1.50 -1.00 -0.50 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50-2.50

-2.00

-1.50

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

Obstacle‐3  

Contours of potential field 

Target 

Obstacle‐1 

Obstacle‐4  

Obstacle‐2  

High value of  potential due to Obstacle‐2 

Target 

High value of potential due to Obstacle‐3 

High value of potential  due to Obstacle‐1 

High  value  of  potential due to Obstacle‐4 

Page 196: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

166

7.2.5 Hybrid Potential Field Navigation technique

The  potential  field  navigation  technique  combined with  other  tools  to  yield  a 

hybrid controller. In this thesis potential field navigation technique is integrated 

with  neuro‐fuzzy  technique  to  produce  a  hybrid  one  for  better  navigational 

performance  in  highly  cluttered  environment.  The  resulting  architecture  is 

shown  in Figure 7.12. The output of  the potential  field navigation  technique  is 

the initial steering angle. The neural network used here is taken from Chapter‐5 

which is a back propagation multi‐layer perceptron having four layers. The input 

layer has  four neurons. Out of  the  four neurons  three are meant  to  receive  the 

distances  of  the  obstacles  in  front  and  to  the  left  and  right, where  as  fourth 

neuron  is  for  the  initial  steering  angle.  The  output  layer  has  a  single  neuron 

meant to produce the second estimate of steering angle. The output of the neural 

network  i.e.,  the  second  estimate  steering  angle  is  fed  to  the  fuzzy  controller 

which  is  discussed  in  Chapter‐4  along  with  the  information  concerning  the 

distances  of  the  obstacles  in  front  and  to  the  left  and  right  of  the  robot.  The 

output of  the  fuzzy  controller  is  the velocities of  the driving wheels. From  the 

velocities of the driving wheel the steering angle is calculated to avoid obstacles 

and reach the target.  

Page 197: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

167

 

 Figure  7.12.  Potential‐field‐neuro‐fuzzy  controller  for  navigation  of  mobile robots. 

Input    layer 

First hidden layer 

Second hidden layer 

Output layer  

L.O.D. 

R.O.D.

F.O.D. 

First Estimated  Steering Angle 

Fuzzy ControllerL.O.D.

R.O.D.

F.O.D.L.W.V.

R.W.V.

Potential F

ield 

Con

troller L.O.D. 

R.O.D

F.O.D. 

T.A. 

L.O.D. = Left Obstacle Distance

R.O.D. = Right Obstacle Distance

F.O.D. = Front Obstacle Distance

L.W.V. = Left Wheel Velocity 

R.W.V. = Right Wheel Velocity 

T.A. = Target Angle

Second Estimated Steering Angle 

Neural Controller

Page 198: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

168

7.3 Demonstrations

The potential  field  navigation  and potential‐field‐neuro‐fuzzy  techniques  have 

been implemented in different simulated environments. The environments have 

been generated artificially containing static obstacles and targets.  

7.3.1 Potential Field Navigation Technique

7.3.1.1 Obstacle Avoidance and Target Seeking by Multiple Mobile Robots

This  exercise  involves  forty‐five  mobile  robots  initially  assembled  into  three 

groups. One target is present in the scenario. The three groups of robots and the 

target  are  located  in  U  shaped  partitions  shown  in  Figure  7.13.  Figure  7.14 

depicts  the  final  position,  when  all  the  robots  have  reached  target  by  using 

potential field navigation technique.  

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure  7.13.  Environment  before  starting  of  simulation when  forty‐five  robots involve to reach a target using potential field navigation technique.  

Target

Fifteen robots 

Obstacles

Fifteen robots

Fifteen robots

Obstacles 

Obstacles 

Obstacles

Page 199: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

169

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure  7.14.  Environment  after  all  the  forty‐five  robots  reach  the  target  using potential field navigation technique. 

7.3.2 Potential-Field-Neuro-Fuzzy Technique

7.3.2.1 Escape from Dead Ends

Figure 7.15 and 7.16 shows the ability of the robots, which are trapped within the 

dead ends, able to escape from those dead ends and finds the target. Figure 7.15 

shows  the situation at  the beginning of  the exercise. Ten robots are  involved  in 

the exercise. Two of the four obstacles are U‐shaped and rest two is rectangular 

shaped  representing  a dead  end.  From  Figure  7.16,  it  can  be  seen  that  all  the 

robots that have reside inside have escaped and able to negotiate with dead ends 

and find the target successfully by using potential‐field‐neuro‐fuzzy technique. 

 

 

Page 200: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

170

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure  7.15.  Escape  from  dead  ends  by  ten mobile  potential‐field‐neuro‐fuzzy technique (Initial State).   

 

 

 

 

 

 

 Figure 7.16. Escape from dead ends by fifteen mobile robots using potential‐field‐neuro‐fuzzy technique (Final State). 

Ten Robots 

Obstacles

Target 

Obstacles

Obstacles

Obstacles

Page 201: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

171

7.3.2.2 Navigation of Several Mobile Robots

Obstacle  avoidance  by nine  hundred ninety‐six mobile  robots using potential‐

field‐neuro‐fuzzy technique is shown in Figures 7.17 and 7.18. Figure 7.17 depicts 

the  starting of  the exercise. Figure 7.18  shows  the  situation after  few  times  the 

exercise  has  begun.  It  can  be  noted  that  the  robots  stay well  away  from  the 

obstacles as well as from each other. 

7.3.2.3 Inter Robot Collision Avoidance

This exercise relates to a problem designed to demonstrate that, the robots 

do not collide with each other even  in a highly cluttered ambience. Figure 7.19 

depicts the beginning of the exercise where as Figure 7.20 shows the trajectories 

of  the  robots  for  the potential‐field‐neuro‐fuzzy controller.  It can be noted  that 

the robots are able to resolve conflict and avoid one another and reach the target 

successfully.  In  this  exercise  only  two  robots  have  been  employed  for  proper 

visualisation. Robot 1 follows path p‐q‐r‐s‐t‐u‐v‐w‐x‐y‐z and robot 2 follows path 

a‐b‐c‐d‐e‐f‐g. After getting the start command the robots start searching for target 

from  point  ‘a’  and  ‘p’.  It  is  clear  from  the  Figure  7.20  that when  the  robots 

reaches close to each other i.e., at point ‘b and q’ and ‘d and s’ they change their 

direction to avoid collision between them.  

 

 

 

 

 

Page 202: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

172

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 7.17. Navigation scenario of nine hundred ninety‐six mobile robots using potential‐field‐neuro‐fuzzy technique (Initial State). 

 

 

 

 

 

 

 

  Figure  7.18.  Navigation  of  one  thousand mobile  robots  using  potential‐field‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate State). 

166 robots 

Obstacle 

Obstacle 

Obstacles

166 robots 

166 robots 

166 robots

166 robots 

166 robots 

Page 203: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

173

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure  7.19.  Collision  avoidance  by  two  mobile  robots  using  potential‐field‐neuro‐fuzzy technique (Initial State). 

 

 

 

 

 

 

 

  Figure  7.20.  Collision  avoidance  by  two  mobile  robots  using  potential‐field‐neuro‐fuzzy technique (Final State). 

Robot 1  Robot 2

Obstacles 

Obstacles

Obstacles

Target  Target

Obstacles 

p  q 

r

x

v t

Page 204: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

174

7.3.2.4 Experimental Validation for Two Mobile Robots with the Simulation Results

A comparison has been made between the experimental (Figures 7.21 ‐ 7.25) and 

simulation  results  (Figure 7.19)  for potential‐field‐neuro‐fuzzy  technique. From 

the experiment  it  is observed  that  the  two real mobile robots  follow closely  the 

paths of simulation as shown in Figure 7.20.  

 

 

         Figure  7.21.  Experimental  result  for  two  mobile  robots  using  potential‐field‐neuro‐fuzzy technique (Initial stage).              Figure  7.22.  Experimental  result  for  two  mobile  robots  using  potential‐field‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate stage ‐ I).   

Page 205: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

175

           

Figure  7.23.  Experimental  result  for  two  mobile  robots  using  potential‐field‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate stage ‐ II).            

Figure  7.24.  Experimental  result  for  two  mobile  robots  using  potential‐field‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate stage ‐ III).            

Figure  7.25.  Experimental  result  for  two  mobile  robots  using  potential‐field‐neuro‐fuzzy technique (Final stage). 

Page 206: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

176

7.4 Comparison between Different Controllers

7.4.1 Simulation Results

This exercise is similar to the exercise demonstrated in Section‐6.5 of Chapter‐6. 

This section compares the performance between different techniques. An exercise 

has been devised to compare the performances of the neuro‐fuzzy, potential field 

navigation  and  the  potential‐field‐neuro‐fuzzy  techniques.  In  all  the  exercises 

one robot  is  located  inside four obstacles and one target  is  located hidden from 

the robot’s view. Figure 7.26 represents the  initial condition of the environment 

for  all  the  controllers.  Figures  7.27  ‐  7.29 depicts  the path  traced  by  the  robot 

using  neuro‐fuzzy,  potential  field  navigation  and  potential‐field‐neuro‐fuzzy 

techniques respectively. Total path lengths using the neuro‐fuzzy, potential field 

navigation and potential‐field‐neuro‐fuzzy techniques are measured in pixels for 

different groups comprising various numbers of robots  to reach  the  target. The 

path  lengths  and  the  search  times  are  taken  statistically  from  one  thousand 

simulation results. The final results are given in Table 7.1. Similarly time taken to 

reach the target using the neuro‐fuzzy, potential field navigation and potential‐

field‐neuro‐fuzzy techniques are measured for the same number of robots using 

statistical method. The results are given in Table 7.2. The path lengths and search 

times provides an objective measure of the performance for different techniques. 

It can be noted  that  the potential‐field‐neuro‐fuzzy  technique performs  the best 

among the previous discussed techniques. 

  

 

 

Page 207: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

177

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 7.26. Environment for one robot and one target. 

 

 

 

 

 

 

 

  Figure 7.27. Navigation path  for one mobile  robot  to  reach  target using neuro‐fuzzy technique. 

One Robot

Obstacles 

Obstacles 

Target

Recorded path of robot 

Page 208: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

178

  

 

 

 

 

 

 

 Figure 7.28 Navigation path for one mobile robot to reach target using potential field navigation technique. 

 

 

 

 

 

 

    Figure 7.29. Navigation path for one mobile robot to reach target using potential‐field‐neuro‐fuzzy technique.  

Recorded path of robot

Recorded path of robot 

Page 209: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

179

 Number 

of robots 

Total path length in pixels using neuro‐fuzzy technique 

Total path length in pixels using potential 

field navigation technique 

Total path length in pixels using 

potential‐field‐neuro‐fuzzy technique 

4  360  410  256 8  715  811  511 10  842  985  599 16  1735  1998  1245 24  2517  2905  1826 40  3594  4079  2584 50  4592  5409  3368 70  9098  10570  6747 

 Table 7.1. Path lengths using different techniques.   Number 

of robots 

Total time taken in seconds using neuro‐

fuzzy technique 

Total time taken in seconds using potential field 

navigation technique 

Total time taken in seconds using potential‐field‐neuro‐fuzzy technique 

4  10.35  11.71  7.43 8  20.90  21.15  15.33 10  23.48  27.39  17.22 16  33.12  37.08  23.76 24  54.88  64.03  40.25 40  73.95  122.75  54.23 50  125.71  153.65  92.19 70  207.36  234.40  148.76 

 

Table 7.2. Time taken to reach the target using different techniques. 

 

Page 210: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

180

7.4.1.1 Experiments with single Mobile Robot

Figures 7.30  to 7.34  show  the  experimental  results obtained  for potential‐field‐

neuro‐fuzzy  technique  for  a  single  mobile  robot  similar  to  the  simulated 

environment as shown in Figure 7.26. The experimental path follows closely that 

traced by  the robots during simulation  (figure 7. 29). It  is seen  that  the robot  is 

successfully  able  to  avoid obstacles  and  reach  the  targets. Table  7.3  shows  the 

average times taken by the mobile robots in simulation and experimental modes 

for obstacle avoidance and target seeking.  

 

 

 

 

 

Figure  7.30.  Experimental  result  for  single  mobile  robot  (Khepera  II)  using potential‐field‐neuro‐fuzzy technique (Initial stage). 

 

 

 

 

 

Figure  7.31.  Experimental  result  for  single  mobile  robot  (Khepera  II)  using potential‐field‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate stage ‐ I). 

Page 211: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

181

         

 Figure  7.32.  Experimental  result  for  single  mobile  robot  (Khepera  II)  using potential‐field‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate stage ‐ II). 

 

 

 

 

  Figure  7.33.  Experimental  result  for  single  mobile  robot  (Khepera  II)  using potential‐field‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate stage ‐ III). 

 

 

 

 

 

Figure  7.34.  Experimental  result  for  single  mobile  robot  (Khepera  II)  using potential‐field‐neuro‐fuzzy technique (Final stage). 

Page 212: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

182

 Total time taken during simulation in seconds 

Total time taken during experiment in seconds 

Number of robots 

Potential field navigation technique 

Potential field neuro‐fuzzy technique 

Potential field navigation technique 

Potential field neuro‐fuzzy technique 

1  10.86  7.01  11.75  8.10 2  11.07  7.21  12.51  8.16 4  11.71  7.43  12.93  8.96 

 Table  7.3.  Time  taken  by  robots  in  simulation  and  experiment  to  reach  target (Potential field navigation technique). 

7.4.1.2 Experiments with Two Real Mobile Robots

Figures  7.35  to  7.38  demonstrate  the  activities  of  the  three  robots, which  are 

located in a cluttered environment. They reach the target safely without colliding 

with each other and with the obstacles.  

 

 

 

 

 

 

Figure 7.35. Target seeking by three mobile robots by using potential‐field‐neuro‐fuzzy technique (Initial scenario).

Page 213: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

183

Figure 7.36. Target seeking by three mobile robots by using potential‐field‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate scenario ‐ I).

Figure 7.37. Target seeking by three mobile robots by using potential‐field‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate scenario ‐ II).

Figure 7.38. All the three mobile robots reach the target by using potential‐field‐neuro‐fuzzy technique.

Page 214: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

184

7.5 Summary

This  chapter  has  described  the  techniques  for  controlling  the  navigation  of 

multiple mobile robots using potential field navigation and potential‐field‐neuro‐

fuzzy  techniques  in a highly  cluttered  environment. New  repulsive navigation 

functions have been developed, by considering the shortest distance between the 

target and the robot. The developed navigation functions ensure that the target is 

the  global  minimum  of  the  total  navigation  field.  This  technique  employs 

navigation force, which is calculated by taking into account the distances of the 

obstacles  around  the  robot  and  the  bearing  of  the  target. The direction  of  the 

resultant navigation force gives the required steering angle of the robot. With the 

use of Petri net model the robots are capable of negotiate with each other. It has 

been seen that, by using potential‐field‐neuro‐fuzzy technique the robots are able 

to avoid any obstacles (static and moving obstacles), escape from dead ends, and 

find  targets  in  a  highly  cluttered  environments.  Using  these  techniques  nine 

hundred  ninety  six mobile  robots  can  navigate  successfully without  colliding 

with  each other and  colliding with obstacles present  in  the  environments.  It  is 

observed  from  the simulation and experimental results,  that  the potential‐field‐ 

neuro‐fuzzy  technique  is  the  best  compared  to  the  neuro‐fuzzy  and  potential 

field techniques for navigation of multiple mobile robots.   

 

 

 

 

 

Page 215: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

185

8 Simulated Annealing

8.1 Introduction

This  chapter  describes  potential  field  navigation  technique  optimised  by 

simulated  annealing  technique.  In  the  previous  chapter  a  new  potential  field 

function is developed so as to take care of unknown obstacles and targets during 

navigation. The final aims of the robots are to reach the targets. Local minimum 

obtained  due  to  potential  field  can  also  be  avoided  by  simulated  annealing 

technique. After utilising simulated annealing technique for optimising potential 

field navigation technique, it is observed that, there is a unique global minimum 

for an attractive node i.e., target. Afterwards potential field navigation technique 

being  optimised  by  simulated  annealing  technique  is  hybridised with  neuro‐

fuzzy  technique  to  improve  the  navigation  of  robots  in  a  highly  cluttered 

environment.  

 

Part of contents of this chapter has been published in  

• “Navigation  Technique  to  control  Several Mobile  Robots”,  International 

Journal of Knowledge‐Based and Intelligent Engineering Systems, (2006), Vol. – 

10 (5), Pages 387 ‐ 401. 

 

 

 

 

Page 216: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

186

8.2 Simulated Annealing

Simulated  annealing  is  an  analogy with  thermodynamics,  specifically with  the 

way  that  liquids  freeze  and  crystallize,  or  metals  cool  and  anneal.  At  high 

temperatures, the molecules of a liquid move freely with respect to one another. 

If the liquid is cooled slowly, thermal mobility is lost. The atoms are often able to 

line  themselves up  and  form  a pure  crystal  that  is  completely  ordered  over  a 

distance up  to billions of  times  the size of an  individual atom  in all directions. 

This crystal is the state of minimum energy for this system. The amazing fact is 

that, for slowly cooled systems, nature is able to find this minimum energy state. 

In fact, if a liquid metal is cooled quickly or quenched, it does not reach this state 

but  rather  ends  up  in  a  polycrystalline  or  amorphous  state  having  somewhat 

higher energy. So the essence of the process is slow cooling, allowing ample time 

for  redistribution  of  the  atoms  as  they  lose mobility  and  ensure  a  low  energy 

state. 

Simulated annealing is developed to deal with highly nonlinear problems. 

Simulated  annealing  approaches  the  global  maximisation  problem  (e.g.,  a 

bouncing  ball  that  can  bounce  over  mountains  from  valley  to  valley).  The 

bouncing ball begins at a high ʺtemperatureʺ which enables the ball to make very 

high bounces, and make it to bounce over any mountain to access any valley. As 

the temperature declines the ball cannot bounce so high and it can also settle to 

become  trapped  in  relatively small  ranges of valleys. A generating distribution 

generates possible valleys or states to be explored. An acceptance distribution is 

also defined, which depends on the difference between the function value of the 

present  generated  valley  to  be  explored  and  the  last  saved  lowest  valley. The 

acceptance distribution decides probabilistically whether to stay in a new lower 

Page 217: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

187

valley  or  to  bounce  out  of  it. All  the  generating  and  acceptance  distributions 

depend on the temperature.  

8.2.1 Simulated Annealing Technique

Simulated annealing’s major advantage over other methods is the ability to avoid 

becoming trapped in local minima.  

The requirements for optimisation by simulated annealing are: 

A description of robotic environment. 

A generator of random changes in the environment; these changes are the 

“options” presented to the system 

An objective  function “E”  (analog of energy) whose minimization  is  the 

target for the robot. 

A  control  parameter  “T”  (analog  of  temperature)  and  an  annealing 

schedule which tells how it is lowered from high to low values, e.g., after 

how many random changes  in environment  is each downward step  in T 

taken, and how large is that step.  

The algorithm  employs a  random  search, which not only accepts  changes  that 

decrease the objective function “E” (assuming a minimisation problem), but also 

some changes that increase it. The latter are accepted with a probability 

δ⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠

p = exp  ET

        (8.1) 

Where  δE   is  the  increase  in  “E”  and  “T”  is  a  control  parameter,  which  by 

analogy  with  the  original  application  is  known  as  the  system  ʹʹtemperatureʺ 

irrespective of  the objective  function  involved. The  implementation of  the basic 

SA algorithm is straightforward. Figure 8.1 shows the flow chart: 

Page 218: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

188

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   Figure 8.1. The structure of the simulated annealing algorithm. 

Input and Assess Initial Solution 

Estimate Initial Temperature 

Assess New Solution 

Generate New Solution 

Accept New Solution? No

Update Stores 

Yes 

Update Stores 

Adjust Temperature 

Stop

Terminate Search? 

Yes 

No 

Page 219: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

189

From  the  surface  and  contour  plot  (Figures  7.4  ‐  7.11)  plotted  for  different 

environment  in Chapter‐7.  It  is observed  that  the new potential  functions have 

only global minimum at the target for n=2. 

Figure 8.2. The Potential Function. 

 

From  Figure  8.2  the  new  potential  function  does  not  guarantee  the  global 

minimum at the target, local minimum still exists. For n = 0, it was observed that 

a local minimum exist at x = 0.5. Similarly for n = 0.5, n = 0.8 and n = 1 the local 

minimum found at 0.36, 0.01 and 0.01 of x‐ordinates respectively. This indicates 

that if the robot moves from the left of that local minimum toward the target, it 

will  trapped at  the  local minimum  though  there  is no obstacles  in between  the 

robot  and  the  target.  To  overcome  the  local  minimum  problem,  simulated 

annealing technique discussed above is used. The simulated annealing algorithm 

along  with  potential  field  method  is  described  below  in  form  of  flow  chart 

(Figure  8.3).  This  algorithm  (Figure  8.3)  is  used  to  find  the  global minimum 

solution  in a potential  field only when  the  robot  is  trapped by  local minimum. 

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.21.4

‐1.5 ‐1.0 ‐0.5 0 0.5 x

Total P

otentia

l UTo

tal 

n = 0

n = 0.5 n = 0.8 

n = 1

Target Obstacle

Page 220: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

190

Using  the  simulated  annealing  technique  a  new  position  P′ for  the  robot  is 

chosen randomly from a set of neighbouring positions of the current position P 

(Figure 8.3). 

The  new  solution  is  accepted  unconditionally  if  the  new  position  has 

lower potential  energy  i.e., U  (P)  ≥ U  (P′ )  or  else with  the  condition T -

e∆

<  0.3, 

where ∆ = U (P′ ) ‐ U (P). If  P′  is not accepted, the algorithm proceeds to the next 

step by decreasing the temperature at a rate γ. This procedure is repeated until it 

escapes from the  local minimum. After the robot escapes from the minimum,  it 

follows  the  negative  gradient.    This  procedure  is  repeated  until  the  target  is 

reached.  

An  algorithm  has  been  developed  (Figure  8.4)  for  finding  out  the  initial 

temperature  T  (0).  Where  Ninit,  is  the  number  of  performed  cycles  in  the 

initialization  loop, N  is the  loop  index. N+  is the number of steps increasing the 

total potential function U (x). ∆(+) is the increase in the potential field function. T = 

∞,  is  the  constant  temperature  in  the  optimisation  and  s  =  s0  is  the  constant 

variance used in the randomization. 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 221: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

191

 Figure 8.3. Path‐planning algorithm. 

S ta rt

S e t initia l pos ition

of robota nd ta rge t

Ca lcula tion of tota l

pote ntia l function

Ca lcula tion of

S te e ring a ngle

Go to the ne w pos ition

S top

Arrived at thegoal position

Trapped at local

minima

Set P=x and T=T(0)

P ick Ra ndom Ne ighbourhood, P '

Ca lcula tion of AP F a t P ' = U(P ')

S e t

ITRY = ITRY+1

Is ITRY>Max Try

?

Re duce Te m p

Go toNew Position

YesYes

NoNo

ITRY = 1

Ne w S olution

IsEngeryLower

?

Is itBest

Solution?

S trore a s Be s t S olution

Ra n<

Yes

No

NoYes

No

Yes

from Loca lEscape

T=T(f)Minim a or

Yes

No

Yes Is ⎟

⎞⎜⎝

⎛ ∆

T -

e

No

x

Page 222: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

192

 

Figure 8.4. Initialisation algorithm. 

∞ o

Randomise P and analyse           T =   s = s

∆Is   > 0 ?  

N = N + 1 

Calculate T (O) 

( ) ( )∆ ∆ ∆+ +

+ +

N  = N  + 1

 =   + 

( )∆ ++N = N  = 0,   = 0  

No

Yes

initIs N < N  ? 

No

Yes

Page 223: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

193

8.2.2 Hybrid Technique

The  potential  field method  optimised  by  simulated  annealing  technique  gives 

rise to an efficient navigation  technique. This technique  is then hybridised with 

neuro‐fuzzy  controller  to  improve  the navigation  of  robots  in highly  cluttered 

environment. 

The resulting architecture is shown in Figure 8.5. The role of the potential‐

field‐simulated‐annealing  controller  is  to  estimate  the  initial  steering  angle  for 

the  neuro‐fuzzy  controller.  Then  the  initial  steering  angle  is  fed  to  neural 

controller along with the distances of obstacles to the left, to the right and in front 

of  the  robot.  The  neural  network  used  here  is  a  back  propagation multilayer 

perceptron having  four  layers  taken  from Chapter‐5. The output of  the neural 

network  i.e.,  the  second  estimated  steering  angle  is  fed  to  the  fuzzy  controller 

along with the distances of the obstacles in front and to the left and right of the 

robot. Gaussian Membership functions are used in the fuzzy controller, which is 

discussed  in  Chapter‐4.  The  output  of  the  fuzzy  controller  is  to  compute  the 

velocities  of  the  driving wheels.  From  the  velocities  of  the  driving wheel  the 

steering angle is calculated to avoid obstacles and reach the target.  

Page 224: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

194

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure  8.5.  Potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy  controller  for navigation of mobile robots. 

Input    layer 

First hidden layer 

Second hidden layer 

Output layer  

L.O.D. 

R.O.D.

F.O.D. 

First Estimated  Steering Angle 

Fuzzy ControllerL.O.D.

R.O.D.

F.O.D.L.W.V.

R.W.V.

Potential‐F

ield‐Sim

ulated‐ 

Ann

ealin

g Con

troller 

L.O.D. 

R.O.D

F.O.D. 

T.A. 

L.O.D. = Left Obstacle DistanceR.O.D. = Right Obstacle Distance 

F.O.D. = Front Obstacle Distance L.W.V. = Left Wheel Velocity R.W.V. = Right Wheel VelocityT.A. = Target Angle 

Second Estimated Steering Angle 

Neural Controller

Page 225: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

195

8.3 Demonstrations  

8.3.1 Inter Robot Collision Avoidance

This exercise relates to a problem designed to demonstrate that, the robots do not 

collide with each other even in a highly cluttered ambience. In this exercise only 

two robots have been employed  for proper visualisation. Figure 8.6 depicts  the 

beginning of the exercise where as Figure 8.7 shows the trajectories of the robots 

for  the  potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy  technique.  It  can  be 

noted that the robots are able to resolve conflict and avoid one another and reach 

the  target  successfully.  It  is  clear  from  the Figure 8.7  that when  the  robots are 

close to each other they change  their direction to avoid collision between them. 

The path traced by the robot ‘a’ is a‐b‐c‐d‐e and robot ‘p’ follows the path p‐q‐r‐s‐

t‐u‐v‐w. 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure  8.6.  Inter  robot  collision  avoidance  using  potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Initial scenario). 

Robot a Robot p

Obstacles

Target  Target

ObstaclesObstacles 

Obstacles

Page 226: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

196

 

 

 

 

 

 

 

 

 Figure  8.7.  Inter  robot  collision  avoidance  using  potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Final scenario).  

8.3.2 Experimental Validation for Two Mobile Robots with the Simulation Results

Experimental  validation  of  the  developed  potential‐field‐simulated‐annealing‐

neuro‐fuzzy technique has been done with the simulated path (Figure 8.6) with 

two mobile robots. From the experiment  it  is observed that the two real mobile 

robots  follow  closely  the  path  of  simulation  as  shown  in  Figure  8.7.  The 

experimental results are shown in Figures 8.8 ‐ 8.12. 

      

ap 

c

r

e w 

v s

t

d

bq 

u

Page 227: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

197

           Figure 8.8. Experimental  result  for  two mobile  robots  (Khepera  II and Boe‐bot) using potential‐field‐ simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Initial stage).            

Figure  8.9.  Experimental  result  for  two  mobile  robots  using  potential‐field‐ simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate stage ‐ I). 

           Figure  8.10.  Experimental  result  for  two  mobile  robots  using  potential‐field‐ simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate stage ‐ II). 

Page 228: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

198

           Figure  8.11.  Experimental  result  for  two  mobile  robots  using  potential‐field‐ simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate stage ‐ III). 

           Figure 8.12. Experimental result for two mobile robots (Khepera II and Boe‐bot) using potential‐field‐ simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Final stage). 

8.3.3 Escape from Dead Ends

Figure 8.13 shows  the beginning of  the exercise where eight robots are  trapped 

within the dead ends. Two of the four obstacles are U‐shaped and rests two are 

rectangular shaped representing  the dead ends.  It can be seen  that all  the eight 

robots,  (Figure  8.13)  have  escaped  from  the  dead  ends  and  find  the  target 

successfully  (Figure  8.14)  by  using  potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐

fuzzy technique.  

Page 229: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

199

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure  8.13.  Escape  from  of  dead  ends  by  using  potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Initial scenario). 

 

 

 

 

        

Figure  8.14.  Escape  from  dead  ends  by  using  potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Final scenario). 

Eight Robots 

Obstacles 

Target 

Obstacles

Obstacles

Obstacles 

Page 230: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

200

8.3.4 Navigation of Several Mobile Robots

Obstacle  avoidance  by  one  thousand  mobile  robots  using  potential‐field‐

simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy  technique  is  shown  in  Figure  8.15  and  8.16. 

Figure 8.15 depicts  the  starting of  the exercise. Figure 8.16  shows  the  situation 

after few times the exercise has begun. It can be noted that the robots stay well 

away from the obstacles and from each other. 

Figure  8.15.  Scenario  for  navigation  of  one  thousand  mobile  robots  before simulation by using potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique.  

Obstacles

Obstacles

Obstacles

200 Robots 

200 Robots 

200 Robots 

200 Robots 

200 Robots 

Page 231: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

201

Figure  8.16.  Scenario  for  navigation  of  one  thousand mobile  robots  by  using potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique after sometime when simulation started.  

Page 232: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

202

8.4 Comparison between Different Controllers

8.4.1 Simulation Results

An  exercise has  been devised  to  compare  the performances  of  the  rule‐based‐

neuro‐fuzzy,  potential‐field‐neuro‐fuzzy  and  potential‐field‐simulated‐

annealing‐neuro‐fuzzy techniques. In the exercise one robot is located inside two 

rectangular  obstacles  and  two  U‐shaped  obstacles.  A  target  is  present  in  the 

environment. Figure 8.17 represents the  initial condition of the environment for 

all the techniques. Figures 8.18 to 8.20 depict the path traced by the robot using 

rule‐based‐neuro‐fuzzy,  potential‐field‐neuro‐fuzzy  and  potential‐field‐

simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy  techniques  respectively.  Total  path  lengths 

using  rule‐based‐neuro‐fuzzy,  potential‐field‐neuro‐fuzzy  and  potential‐field‐

simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy  techniques  are  measured  in  pixels  for  four, 

eight,  ten, sixteen,  twenty‐four, forty, fifty and seventy mobile robots. The path 

lengths  are  taken  statistically  from  one  thousand  simulation  results.  The  final 

results are presented in Table 8.1. Similarly time taken to reach the target using 

rule‐based‐neuro‐fuzzy,  potential‐field‐neuro‐fuzzy  and  potential‐field‐

simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy  techniques  is measured  for  the  same number 

of robots using statistical method. The results are depicted in Table 8.2. The path 

lengths and search times are giving an objective measure of the performance for 

different techniques. It can be noted that the potential‐field‐simulated‐annealing‐

neuro‐fuzzy technique performs the best among the above‐discussed techniques.  

 

 

 

Page 233: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

203

 

 

 

 

 

 

 

  Figure 8.17. Environment for one robot and one target. 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure  8.18. Navigation  path  for  one mobile  robot  to  reach  target  using  rule‐based‐neuro‐fuzzy technique. 

Recorded path of robot

One Robot

Obstacles

Obstacles 

Target 

Page 234: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

204

  

 

 

 

 

 

 

 Figure 8.19. Navigation path for one mobile robot to reach target using potential‐field‐neuro‐fuzzy technique.  

 

 

 

 

        

Figure 8.20. Navigation path for one mobile robot to reach target using potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique. 

Recorded path of robot 

Recorded path of robot 

Page 235: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

205

Number of robots 

Total path length in pixels using rule‐based‐neuro‐fuzzy 

technique 

Total path length in pixels using 

potential‐field‐neuro‐fuzzy technique 

Total path length in pixels using 

potential‐field‐simulated‐

annealing‐neuro‐fuzzy technique 

4  295  256  216 8  614  511  429 10  679  599  486 16  1465  1245  1098 24  2107  1826  1439 40  3692  2584  2399 50  3994  3368  2862 70  7497  6747  5136 

 Table 8.1. Path lengths using different techniques. 

Number of robots 

Total time taken in seconds using rule‐based‐neuro‐fuzzy 

technique 

Total time taken in seconds using potential‐field‐neuro‐fuzzy technique 

Total time taken in seconds using potential‐field‐simulated‐

annealing‐neuro‐fuzzy technique 

4  8.48  7.43  6.21 8  18.04  15.33  12.92 10  19.50  17.22  13.32 16  28.52  23.76  19.01 24  45.57  40.25  32.65 40  64.31  54.23  46.08 50  108.46  92.19  92.55 70  182.16  148.76  122.04 

 Table 8.2. Time taken to reach the target using different techniques.

Page 236: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

206

8.4.2 Experiments with Single Real Mobile Robot

Figures  8.21  ‐  8.25  show  the  experimental  results  obtained  for  potential‐field‐

simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy  technique  for  a  single  robot  similar  to  the 

simulated environment as shown  in Figure 8.17. The experimental path follows 

closely  that  traced by  the robot during simulation. Table 8.3 shows  the average 

times taken by the robots in simulation and experiment performed for obstacles 

avoidance and target seeking.  

Total time taken during simulation in seconds 

Total time taken during experiment in seconds 

Number of robots 

Potential field neuro‐

fuzzy technique 

Potential‐field‐simulated‐

annealing‐neuro‐fuzzy technique 

Potential field neuro‐

fuzzy technique 

Potential‐field‐simulated‐

annealing‐neuro‐fuzzy technique 

1  5.90  5.35  7.75  7.05 2  7.03  6.01  8.63  8.12 4  7.43  6.21  9.09  8.72 

 Table  8.3.  Time  taken  by  robots  in  simulation  and  experiment  to  reach  target (Simulated annealing).   

 

 

 

 

 

 

   Figure  8.21.  Experimental  result  for  one  mobile  robot  (Khepera  II)  using potential‐field‐ simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Initial stage).  

Page 237: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

207

 

         

Figure  8.22.  Experimental  result  for  one  mobile  robot  using  potential‐field‐ simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate stage – I).            

Figure  8.23.  Experimental  result  for  one  mobile  robot  using  potential‐field‐ simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate stage – II).            

Figure  8.24.  Experimental  result  for  one  mobile  robot  (Khepera  II)  using potential‐field‐ simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Final stage). 

Page 238: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

208

8.4.3 Experiments with Multiple Mobile Robots

Figures 8.25 ‐ 8.29 show that, three robots which are placed in a line are able to 

avoid  the  obstacles  and  reach  the  target  without  colliding  with  each  other. 

Figures 8.30  ‐ 8.34 and Figures 8.35  ‐ 8.38 demonstrate  that all  the  three robots, 

which are located in a cluttered environment, reach the target without colliding 

with each other or colliding with the target. Navigation of four mobile robots are 

shown in Figures 8.39 ‐ 8.41. It has been observed that the robots are successfully 

avoid obstacles. 

 

 

 

 

     Figure  8.25.  Collision  avoidance  by  three mobile  robots  using  potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Initial State). 

Figure  8.26.  Collision  avoidance  by  three mobile  robots  using  potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate State ‐ I). 

Page 239: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

209

 

 

 

 

 

 

 

 Figure  8.27.  Collision  avoidance  by  three mobile  robots  using  potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate State ‐ II). 

 

 

 

 

 

 

 

 Figure  8.28.  Collision  avoidance  by  three mobile  robots  using  potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate State ‐ III). 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 8.29. Collision avoidance by three robots using potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique after all the robots reaches the target. 

Page 240: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

210

 

 

 

 

 

 

  

Figure  8.30.  Target  seeking  by  three  mobile  robots  using  potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Initial scenario).            

Figure  8.31.  Target  seeking  by  three  mobile  robots  using  potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate scenario ‐ I).            

Figure  8.32.  Target  seeking  by  three  mobile  robots  using  potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate scenario ‐ II). 

Page 241: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

211

 

 

 

         

 

Figure  8.33.  Target  seeking  by  three  mobile  robots  using  potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate scenario ‐ III). 

           

 

 

Figure 8.34. All the three mobile robots reach the target by using potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique. 

 

 

 

 

Page 242: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

212

 

 

          

 Figure  8.35.  Target  seeking  by  three  mobile  robots  with  two  targets  in  the environment  using  potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy  technique (Initial scenario).  

 

 

 

  

 

 

  Figure  8.36.  Target  seeking  by  three  mobile  robots  with  two  targets  in  the environment  using  potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy  technique (Intermediate scenario ‐ I).       

Page 243: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

213

   

 

 

 

 

 

 

  Figure  8.37.  Target  seeking  by  three  mobile  robots  with  two  targets  in  the environment  using  potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy  technique (Intermediate scenario ‐ II).   

 

 

 

 

 

    Figure  8.38.  Target  seeking  by  three  mobile  robots  with  two  targets  in  the environment  using  potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy  technique (Final scenario).       

Page 244: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

214

 

 

 

 

 

 

 

 Figure 8.39. Navigation of  four mobile  robots  in a cluttered environment using potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Initial Scenario).  

 

 

 

 

 

 

 Figure  8.40. Navigation  of  four mobile  robots  using  potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate Scenario ‐ I). 

 

 

 

 

 

 

  Figure  8.41. Navigation  of  four mobile  robots  using  potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique (Intermediate Scenario ‐ II). 

Page 245: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

215

8.5 Summary

This  chapter  has  described  potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy 

technique for navigation of multiple mobile robots. It is observed that, by using 

potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy technique the robots are able to 

avoid any obstacles  (static and moving obstacles), escape  from dead ends, and 

find targets. Using this technique one thousand mobile robots can also navigate 

successfully  without  collision  with  other  robots  and  obstacles  present  in  the 

environment. It is also concluded from experimental and simulation results that 

the  potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy  technique  is  the  best 

technique  for  navigation  of  mobile  robots  among  the  above‐discussed 

techniques. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 246: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

216

9 Conclusions and Further Work The  main  objectives  of  this  thesis  work  have  been  to  investigate  effective 

techniques for controlling the navigation of multiple mobile robots in a cluttered 

environment. This chapter summarises the main contributions, conclusions of the 

present investigations and scope for further works. 

9.1 Contributions

From  the kinematic analysis of mobile  robot;  right wheel and  left wheel 

velocities  of  the mobile  robot  are  calculated.  From  the wheel  velocities, 

steering angle for the robot is calculated. 

Fuzzy  logic  technique  has  been  developed  using  three  types  of 

membership  functions.  The  fuzzy  rules  considered  for  all  the  three 

membership functions are deployed for multiple mobile robots. The fuzzy 

logic  controller  utilising  Gaussian  membership  function  is  found  best 

among the three types of membership functions for navigation of multiple 

mobile robots in an unknown environment. 

A neural network technique has been devised for mobile robot navigation. 

This  has  been modified  to  produce  a  hybrid  neuro‐fuzzy  technique  for 

enhancing the navigational performance of robots.  

A  rule‐based  controller  and  a  hybrid  rule‐based‐neuro‐fuzzy  technique 

also  have  been  realised.    The  latter  yielded  the  best  results  of  all  the 

techniques discussed in Chapter‐4 and Chapter‐5.  

A  mathematically  based  potential  field  navigation  technique  has  been 

developed for multiple mobile robot navigation. Hybrid controller based 

on  potential  field  neuro‐fuzzy  technique  has  been  implemented  to 

enhance performance of robot navigation in various unknown scenario.   

Page 247: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

217

Simulated  annealing  has  been  used  for  escaping  from  local minima. A 

hybrid  potential‐field‐simulated‐annealing‐neuro‐fuzzy  technique  has 

also been developed. This hybrid technique yielded the best results of all 

the techniques investigated in this research.  

9.2 Conclusions

From  the  simulation  and  experimental  results,  it  is  concluded  that  the 

developed  simple  fuzzy  controller with Gaussian membership  is able  to 

control the navigation of multiple mobile robots in an unknown cluttered 

workspace. 

The  neuro‐fuzzy  technique  has  increased  the  performance  compared  to 

both  the  neural  and  fuzzy  logic  techniques.  Similarly  the  rule‐based‐

neuro‐fuzzy  technique  performs  better  than  the  simple  rule‐based 

technique. 

The  best  performing  techniques  are  based  on  potential‐field‐simulated‐

annealing‐neuro‐fuzzy technique, which gives robust navigation results in 

an  unknown  environment.  This  technique  provides  better  result  than 

other  hybrid  techniques  developed,  namely  the  neuro‐fuzzy  and  rule‐

based‐neuro‐fuzzy technique. 

9.3 Further Work

The following are suggested for further investigations: 

In  the  current  research  work,  the  techniques  developed  for  multiple 

mobile robot navigation enable  the robots  to avoid collision among each 

other  and  with  static  obstacles.  However,  further  development  of  the 

techniques may be required  for  the avoidance of moving obstacles other 

Page 248: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

218

than  the  robots.  These  obstacles  (e.g.  animals, moving  equipments  etc.) 

may  or  may  not  have  sensors  mounted  on  them  that  are  able  to 

communicate with robots. 

Co‐ordination between the robots for co‐operative task with static as well 

as moving obstacles. 

Further work needs to be undertaken in the area of optimising the number 

of robots reaching and handling a particular object.  

The navigational techniques developed  in this research work are capable 

of detecting and reaching the static targets. Further modifications in these 

navigational techniques may be carried out so that the robots can not only 

detect dynamic targets but also reach them using an optimum path. 

Further work with respect to the use of visual sensing may be undertaken 

to improve the environment perception of mobile robots. This may help to 

facilitate co‐operation between the robots in an intelligent manner. It may 

also  be  used  in  the  context  of  robot  control  through  the  WWW  by 

presenting on‐line pictures of the robot’s work area. Digital cameras with 

suitable computer interface may be employed for this purpose. 

New  potential  function may  be  developed  to  control more  number  of 

mobile robots. 

 

 

 

 

Page 249: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

219

Appendix – A

Software used for Robot navigation

A.1 Navigation Software

The  ‘ROBPATH’ used  for navigation demonstrations  reported  in  this  research 

work  is developed by  the author. The  software  runs on a PC operating under 

WINDOWS NT/95/98/2000/XP/Vista. The menus incorporated in the software are 

described below. 

A.1.1 Obstacle Menu:

The Obstacle Menu allows  the user  to draw different  types of obstacles  in  the 

robots’  environment.  The  obstacles  that  can  be  constructed  are  shown  in     

Figure a.1. 

A.1.2 Number of Robot Menu:

Using this menu, a user can draw any number of robots (in between 1 to 1000) as 

required to be placed in the environment. For example fifteen robots are shown 

in Figure a.2. 

A.1.3 Run Menu:

With this menu, the user can choose to run the software  in simulation mode or 

control the navigation of real mobile robots. The menu is given in Figure a.3. 

A.1.4 Techniques Menu:

This menu enables the user to select the techniques to control the navigation of 

the robots. The menu is shown in Figure a.3. 

 

Page 250: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

220

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure a.1. Obstacles. 

 

 

 

Figure a.2. Fifteen mobile robots.  

(a) Boundary of the environment

(b) Wall (Line) 

(d) Triangular sharp edge object  (e) Rectangular object  

(f) Parallelogram type object (g) Hexagonal type object 

(h) U‐shaped objects

(c) Circular object 

Page 251: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

221

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure a.3. View of  the software (ROBOPATH) front‐end user for navigation of multiple mobile robots. 

A.1.5 Target Menu:

This menu is for placing targets in the environment. Any number of targets can 

be Chosen for the robot environment Figure a.3. 

A.1.6 Manual Command (Parameter Menu):

This menu contains four commands (Figure a.3) 

a)  Start_Again: This  command  is  for  re‐starting  a  process  with  exiting 

software. 

b)  Refresh_Screen: This command is for cleaning the screen. It has the same 

action as clicking the right button on the mouse. 

Fuzzy Neural Neurofuzzy Rulebased Rulebasedneurofuzzy Navigation field method Hybrid PEF method Others

Page 252: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

222

c)  Robot_Behaviour: This command activates a dialog box  that enables  the 

user to select a particular robot and control its movements manually. The dialog 

box can be seen in Figure a.3. 

d)  Drag_Obs: Using  this  sub‐menu  the  user  can  drag  any  obstacle  to  any 

place in the environment at any time to re‐arrange the cluttered environment. 

e) Obs_Delete: By the help of this menu the user can delete any obstacle at 

any time from the environment. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 253: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

223

Appendix – B

Petri Net Model

The  theory of Petri Nets was developed  from  the work of Carl Adam Petri  in 

Germany  in  1962.  He  developed  a  new  model  for  information  flow  in  a 

communication system [230]. Petri Net model is used as a visual communication 

aid  to  model  the  system  behaviour.  It  is  based  on  strong  mathematical 

foundation. Petri Net  is a graphical paradigm  for  the  formal description of  the 

logical  interactions among parts or of the flow of activities  in complex systems. 

Petri Net is particularly suited to model:  

–Concurrency and Conflict;  

–Sequencing, conditional branching and looping;  

–Synchronization;  

–Sharing of limited resources and  

–Mutual exclusion. 

B.1 Basic Definitions of Petri Net Model:

A Petri net is a bipartite directed graph consisting of two kinds of nodes: places 

and transitions [231] (Figure b.1). 

–Places typically represent conditions within the system being modeled  

–Transitions represent events occurring  in the system that may cause change  in 

the condition of the system 

–Arcs  connect  places  to  transitions  and  transitions  to  places  but  never  an  arc 

from a place to a place or from a transition to a transition. In addition to the basic 

elements of Petri Nets i.e., places, transitions and direct arcs, tokens are included 

Page 254: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

224

to  model  the  systems.  In  Petri  net  theory,  places  represent  status  such  as 

operation process, conditions or availability of resources e.g., a robot is ready to 

move in an environment. Transitions are used to model events i.e., the start and 

termination  of  operations.  Places  contain  tokens  (denoted  by  circles)  and  the 

distribution  of  tokens  in  the  place  of  Petri  Net  is  called  its  marking.  The 

execution  of  a  Petri  net  is  controlled  by  the  position  and movement  of  these 

tokens. 

In a Petri Net model, Petri Net structure (Z) can be defined as a five – tuple [207] 

 Z = (P,T,I,O,m) 

Where 

• P = {p1,p2,……………………..pm} is a finite set of places, m≥  0. 

• T = {t1,t2,……………………..tn} is a finite set of transitions, n≥  0. 

• { }⊆I    P X T is the input function that defines the set of directed arcs from 

places to transitions. 

• { }⊆O    T X P   is  the output  function  that defines  the  set of directed arcs 

from transition to places. 

• →m : P   N   is  a marking whose  component  represents  the  number  of 

tokens in the corresponding place. 

 

 

 

 

 

Page 255: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

225

 

 

 

 

 

 

 

Figure b.1. A simple Petri Net model.

 

Input arcs  are directed arcs drawn  from places  to  transitions,  representing  the 

conditions that need to be satisfied for the event to be activated  

 

 

Output arcs are directed arcs drawn from transitions to places, representing the 

conditions resulting from the occurrence of the event  

 

 

Input  places  of  a  transition  are  the  set  of  places  that  are  connected  to  the 

transition through input arcs  

 

 

Place  

Token  

Transition  

Arc 

Before firing 

After firing 

Page 256: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

226

Output places of a transition are the set of places to which output arcs exist from 

the transition 

 

 

Tokens are dots  (or  integers) associated with places; A place containing  tokens 

indicates that the corresponding condition holds  

 

 

 

Marking of a Petri net is a vector listing the number of tokens in each place of the 

net  ( )1 2 3 pn  n  n ...........n , P = of places . 

When  input  places  of  a  transition  have  the  required  number  of  tokens,  the 

transition is enabled 

 

 

 

An  enabled  transition may  fire  (event  happens)  taking  a  specified  number  of 

tokens  from  each  input  place  and  depositing  a  specified  number  of  tokens  in 

each of its output place.   

 

 

 

 

Page 257: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

227

Firing example  2 2 22H  + O  = 2H O  

 

Figure b.2. A simple firing example using Petri Net model.

 

 

 

 

H2 

O2 

H2O 

T

Before firing

H2 

O2 

H2O 

After firing

Page 258: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

228

 

Role of a place 

 

 

• A type of communication medium, like a telephone line, a middleman, or 

a communication network; 

• A buffer: for example, a depot, a queue or a post bin; 

• A geographical location, like a place in a warehouse, office or hospital; 

•  A  possible  state  or  state  condition:  for  example,  the  floor  where  an 

elevator is, or the condition that a specialist is available. 

 

 

 

Role of a transition

 

 

•  An  event:  for  example,  starting  an  operation,  the  death  of  a  patient,  a 

change seasons or the switching of a traffic light from red to green; 

•  A  transformation  of  an  object,  like  adapting  a  product,  updating  a 

database, or updating a document; 

•  A  transport of an object:  for example,  transporting goods, or  sending a 

file. 

 

Page 259: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

229

 

Role of a token 

 

•  A physical object, for example a product, a part, a drug, a person; 

•  An information object, for example a message, a signal, a report; 

•  A collection of objects,  for example a  truck with products, a warehouse 

with parts, or an address file; 

•  An indicator of a state, for example  the  indicator of  the state  in which a 

process is, or the state of an object; 

•  An indicator of a condition:  the presence of a  token  indicates whether a 

certain condition is fulfilled. 

Page 260: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

230

Appendix - C 

Description of Experimental Mobile Robots

C.1 Khepera II Robot

 

 

 

 

 

 

 Figure c.1. Khepera  II robot.  

 

proximity  sensors,  an  interface  with  image  sensor  and  an  on‐board  power 

supply. Each IR sensor  is composed of an emitter and an  independent receiver. 

The  infrared sensors allow absolute ambient  light and estimation, by reflection, 

of  the  relative position of  an object  to  the  robot  to be measured.  In  fact,  these 

estimations  give  information  about  the  distances  between  the  robot  and  the 

obstacles. 

 

 

In  this  thesis,  Khepera  II,  Boe‐Bot, 

Hemisson, and Koala robots are used 

for  experimental  verification.  The 

Khepera  II  (Figure  c.1)  is  cylindrical 

in  shape,  measuring  5.5  cm  in 

diameter and 3 cm in height. Its small 

size  allows  experiments  to  be 

performed  in a small work area. The 

basic configuration of  the Khepera  II 

is  composed  of  the  CPU  and  the 

sensory motor boards. It includes two 

DC motors coupled with incremental 

sensors, eight analog infrared (IR) 

Page 261: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

231

C.2 Boe-Bot Robot

The  Boe‐Bot  robot  (Figure  c.2)  is  built  on  a  high  quality  brushed  aluminum 

chassis  that provides a sturdy platform  for  the servomotors and printed circuit 

board. This robot is rectangular in shape, measuring 14 cm in length 12.5 cm in 

width and 15.5 cm in height. The rear wheel is a drilled polyethylene ball held in 

place with a cotter pin. Ultrasonic sensors are mounted for obstacles detections. 

Image sensors mounted on both the robots are used for target detection. 

 

 

 

 

 

 

 

Figure c.2. Boe‐Bot robot. 

Page 262: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

232

C.3 Hemisson Robot

The Hemisson robot  is equipped with several sensors and a programmable 8bit 

MCU.  Its size is 12 cm in diameter and weighs 200 gm. It has two DC motors to 

drive  independently  both  wheels.  The  Processor  is  PIC16F877  (20MHz  CPU 

clock, 8 bit, 8K words program memory).  Sensors mounted on  the  robot are 8 

ambient light sensors (infrared), 6 obstacle detection sensors (infrared) and 2 line 

detection sensors. The power supply is from a standard 9V battery. The robot has 

serial port  for  communication with  computer  (DB9  connector), one TV  remote 

receiver, one Buzzer, four LEDs, four Programmable Switches. The robot is able 

to avoid obstacles, detect ambient  light  intensity and  follow a  line on  the  floor. 

Other equipments include programmable LED, buzzer and switches. 

Figure c.3. Hemisson Robot.

Page 263: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

233

C.4 Koala Robot The Koala  robot  is  a  robotic platform  for  real‐world  experiments  and  is more 

powerful, and capable of carrying  larger accessories  than khepera. It rides on 6 

wheels having Length:  32  cm, Width:  32  cm, Height:  20  cm  and  sports  stylish 

bodywork  for attractive demonstrations.  Its weight  is 4 kg with battery 3.6 kg 

with DC‐DC  converter. The processor  installed  in  the  koala  robot  is Motorola 

68331 @ 22MHz, RAM  is 1Mbyte and ROM  is 1Mbyte. Two DC brushed servo 

motors with integrated incremental encoders (roughly 19 pulses per mm of robot 

motion) is installed in the robot. The sensors mounted on the robot are 16 Infra‐

red  proximity  and  ambient  light  sensors,  four  optional  triangulation  longer‐

range IR sensors and 6 optional ultrasonic sonar sensors. The maximum payload 

the robot can take is 3 kg. It has been designed for easy to use, easy to transport, 

and able  to deal with a standard office environment as well as a  rough  indoor 

terrain. It is also fully software compatible with Khepera. 

  

Figure c.4. Koala Robot

Page 264: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

234

Appendix – D

Data Mining Tools See5

Data mining  is about extracting patterns  from a warehoused data. See5  is data 

mining  software.  Some  important  features  of  See5  (Figure  d.1  and  d.2)  are 

described below:  

• See5  has  been  designed  to  analyse  substantial  databases  containing 

thousands  to hundreds of  thousands of  records and  tens  to hundreds of 

numeric or nominal fields.  

• To maximize  interpretability,  See5  classifiers  are  expressed  as  decision 

trees or sets of if‐then rules, forms that are generally easier to understand 

than neural networks.  

• See5  is  easy  to  use  and  does  not  presume  advanced  knowledge  of 

Statistics or Machine Learning. 

D.1 See5 Required Following files: 

D.1.1 Application Files

Every See5 application has a short name called a filestem. All files read or written 

by  See5  for  an  application  have  names  of  the  form  filestem.extension where 

filestem identifies the application and extension describes the contents of the file.  

Here is a summary table (Table d.1) of the extensions used by See5  

D.1.2 Names File

The  first  essential  file  is  the  names  file  (e.g.  rule9.names)  that  describes  the 

attributes and classes.  

Page 265: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

235

This file concerns credit card applications.   All attribute names and values have 

been changed to meaningless symbols to protect confidentiality of the data. 

steering angle.  |   classes 

left distance    :  continuous. 

front distance  :  continuous. 

right distance  :  continuous. 

target angle    :  continuous. 

change in steering angle:  ‐2,‐6,‐7,‐9,2,4,6,8,10,16. 

D.1.3 Data File

The  second  essential  file,  the  applicationʹs  data  file  (e.g.  rule9.data)  provides 

information on the training cases from which See5 will extract patterns.  

For example, the first five cases from file rule9.data are:  

13,30,8,10‐6 

13,30,10,11,‐6 

13,30,13,11,‐6 

13,30,15,12,‐7 

13,30,18,12,‐7 

Here  is  the main window of See5 after  the  rule9 application has been  selected 

(Fig. 19.).  

The main window of See5 has six buttons on its toolbar. From left to right, they 

are  

Page 266: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

236

D.1.3.1 Locate Data

Invokes a browser to find the files for your application, or to change the current 

application;  

D.1.3.2 Construct Classifier

Selects the type of classifier to be constructed and sets other options;  

D.1.3.3 Stop

Interrupts the classifier‐generating process;  

D.1.3.4 Review Output

Re‐displays the output from the last classifier construction (if any);  

D.1.3.5 Use Classifier

Interactively applies the current classifier to one or more cases; and  

D.1.3.6 Cross-Reference

Shows how cases in training or test data relate to (parts of) a classifier and vice 

versa.  

These functions can also be initiated from the File menu.  

The  Edit  menu  facilities  changes  to  the  names  and  costs  files  after  an 

applicationʹs files have been located.  

D.1.4 Constructing Classifiers

Once the names, data, and optional files have been set up, everything is ready to 

use See5. The first step is to locate the date using the Locate Data button on the 

toolbar (or the corresponding selection from the File menu). Rule9 data has been 

located in this manner. There are several options that affect the type of classifier 

that See5 produces and  the way  that  it  is constructed. The Construct Classifier 

Page 267: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

237

button  on  the  toolbar  (or  selection  from  the  File menu) displays  a dialog  box 

shown in Fig. 20 that sets out these classifier construction options. 

D.1.5 Rulesets

See5 has ability  to generate  classifiers  called  rulesets  that  consist of unordered 

collections of if‐then rules. Some of the rules given below: 

Rule 1:  

left obstacle distance > 18  

front obstacle distance <= 12  

right obstacle distance > 30  

right obstacle distance <= 48  

target angle > 12 

target angle <= 14  

‐>  class ‐7  [0.962] 

Rule 2:  

left obstacle distance > 18  

front obstacle distance <= 12 

right obstacle distance > 30  

right distance <= 48  

target angle > 14 

target angle <= 16 

‐>  class ‐9  [0.955] 

 

Page 268: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

238

   Figure d.1. The main window of See5. 

 

Figure d.2. The Main dialog box. 

Page 269: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

239

names  description of the applicationʹs attributes  

[required]  

data  cases used to generate a classifier   [required]  

test  unseen cases used to test a classifier   [optional]  

cases  cases to be classified subsequently   [optional]  

costs  differential misclassification costs   [optional]  

tree  decision tree classifier produced by See5  

[output]  

rules  ruleset classifier produced by See5   [output]  

out  report produced when a classifier is generated  

[output]  

set  settings used for the last classifier   [output]  

 

Table d.1. Summary table of the extensions used by See5. 

Page 270: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

240

Appendix – E

Data for Rule-based Controller

The data set used in the algorithm to generate the rules using See 5 software: 

Each data  set  comprises  of  left  obstacle distance,  front  obstacle distance,  right 

obstacle distance, target angle and change in steering angle. 

60,60,10,12,‐7 60,60,12,12,‐7 60,60,14,12,‐7 60,60,16,12,‐7 60,60,18,12,‐7 60,60,20,12,‐7 60,60,22,12,‐7 60,60,24,12,‐7 60,60,26,12,‐7 60,60,28,12,‐7 60,60,30,12,‐7 60,60,32,12,‐9 60,60,34,12,‐9 60,60,36,14,‐7 60,60,38,14,‐7 60,60,40,14,‐7 60,60,42,14,‐7 60,60,44,14,‐7 60,60,46,14,‐7 60,60,48,14,‐7 60,60,50,14,‐5 60,60,52,14,‐5 60,60,54,14,‐5 60,60,56,14,‐5 60,60,58,14,‐5 60,60,60,14,‐5 60,60,10,16,‐7 

60,60,36,12,‐9 60,60,38,12,‐9 60,60,40,12,‐9 60,60,42,12,‐9 60,60,44,12,‐9 60,60,46,12,‐9 60,60,48,12,‐9 60,60,50,12,‐5 60,60,52,12,‐5 60,60,54,12,‐5 60,60,56,12,‐5 60,60,58,12,‐5 60,60,60,12,‐5 60,60,22,16,‐7 60,60,24,16,‐7 60,60,26,16,‐7 60,60,28,16,‐7 60,60,30,16,‐7 60,60,32,16,‐9 60,60,34,16,‐9 60,60,36,16,‐9 60,60,38,16,‐9 60,60,40,16,‐9 60,60,42,16,‐9 60,60,44,16,‐9 60,60,46,16,‐9 60,60,48,16,‐9 

60,60,10,14,‐8 60,60,12,14,‐8 60,60,14,14,‐8 60,60,16,14,‐8 60,60,18,14,‐8 60,60,20,14,‐8 60,60,22,14,‐8 60,60,24,14,‐8 60,60,26,14,‐8 60,60,28,14,‐8 60,60,30,14,‐8 60,60,32,14,‐7 60,60,34,14,‐7 60,60,60,16,‐5 60,60,10,20,7 60,60,12,20,7 60,60,14,20,7 60,60,16,20,7 60,60,18,20,7 60,60,20,20,7 60,60,22,20,7 60,60,24,20,7 60,60,26,20,7 60,60,28,20,7 60,60,30,20,7 60,60,32,20,9 60,60,34,20,9 

Page 271: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

241

60,60,12,16,‐7 60,60,14,16,‐7 60,60,16,16,‐7 60,60,18,16,‐7 60,60,20,16,‐7 60,60,46,20,9 60,60,48,20,9 60,60,50,20,9 60,60,52,20,9 60,60,54,20,9 60,60,56,20,9 60,60,58,20,9 60,60,60,20,9 60,60,10,22,10 60,60,12,22,10 60,60,14,22,10 60,60,16,22,10 60,60,18,22,10 60,60,20,22,10 60,60,22,22,10 60,60,24,22,10 60,60,26,22,10 60,60,28,22,10 60,60,30,22,10 60,60,56,24,12 60,60,58,24,12 60,60,60,24,12 60,60,10,26,13 60,60,12,26,13 60,60,14,26,13 60,60,16,26,13 60,60,18,26,13 60,60,20,26,13 60,60,22,26,13 60,60,24,26,13 60,60,26,26,13 

60,60,50,16,‐5 60,60,52,16,‐5 60,60,54,16,‐5 60,60,56,16,‐5 60,60,58,16,‐5 60,60,32,22,11 60,60,34,22,11 60,60,36,22,11 60,60,38,22,11 60,60,40,22,11 60,60,42,22,11 60,60,44,22,11 60,60,46,22,11 60,60,48,22,11 60,60,50,22,11 60,60,52,22,11 60,60,54,22,11 60,60,56,22,11 60,60,58,22,11 60,60,60,22,11 60,60,10,24,12 60,60,12,24,12 60,60,14,24,12 60,60,16,24,12 60,60,42,26,13 60,60,44,26,13 60,60,46,26,13 60,60,48,26,13 60,60,50,26,13 60,60,52,26,13 60,60,54,26,13 60,60,56,26,13 60,60,58,26,13 60,60,60,26,13 60,60,10,10,5 60,60,12,10,5 

60,60,36,20,9 60,60,38,29,9 60,60,40,16,‐9 60,60,42,20,9 60,60,44,20,9 60,60,18,24,12 60,60,20,24,12 60,60,22,24,12 60,60,24,24,12 60,60,26,24,12 60,60,28,24,12 60,60,30,24,12 60,60,32,24,12 60,60,34,24,12 60,60,36,24,12 60,60,38,24,12 60,60,40,24,12 60,60,42,24,12 60,60,44,24,12 60,60,46,24,12 60,60,48,24,12 60,60,50,24,12 60,60,52,24,12 60,60,54,24,12 60,60,28,10,5 60,60,30,10,5 60,60,32,10,5 60,60,34,10,5 60,60,36,10,5 60,60,38,10,5 60,60,40,10,5 60,60,42,10,5 60,60,44,10,5 60,60,46,10,5 60,60,48,10,5 60,60,50,10,5 

Page 272: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

242

60,60,28,26,13 60,60,30,26,13 60,60,32,26,13 60,60,34,26,13 60,60,36,26,13 60,60,38,26,13 60,60,40,26,13 60,60,14,‐10,5 60,60,16,‐10,5 60,60,18,‐10,5 60,60,20,‐10,5 60,60,22,‐10,5 60,60,24,‐10,5 60,60,26,‐10,5 60,60,28,‐10,5 60,60,30,‐10,5 60,60,32,‐10,5 60,60,34,‐10,5 60,60,36,‐10,5 60,60,38,‐10,5 60,60,40,‐10,5 60,60,42,‐10,5 60,60,44,‐10,5 60,60,46,‐10,5 60,60,48,‐10,5 60,60,50,‐10,5 60,43,60,‐19,‐10 60,41,60,‐19,‐10 60,39,60,‐19,‐10 60,35,60,‐19,‐10 60,33,60,‐19,‐10 60,31,60,‐19,‐10 60,29,60,‐19,‐8 60,27,60,‐19,‐8 60,25,60,‐19,‐8 60,23,60,‐19,‐8 

60,60,14,10,5 60,60,16,10,5 60,60,18,10,5 60,60,20,10,5 60,60,22,10,5 60,60,24,10,5 60,60,26,10,5 60,60,52,‐10,5 60,60,54,‐10,5 60,60,56,‐10,5 60,60,58,‐10,5 60,60,60,‐10,5 60,59,60,19,10 60,57,60,19,10 60,55,60,19,10 60,53,60,19,10 60,51,60,19,10 60,49,60,19,10 60,47,60,19,10 60,45,60,19,10 60,43,60,19,10 60,41,60,19,10 60,39,60,19,10 60,37,60,19,10 60,35,60,19,10 60,33,60,19,10 60,53,60,9,18 60,51,60,9,15 60,49,60,9,15 60,47,60,9,15 60,45,60,9,15 60,43,60,9,15 60,41,60,9,15 60,39,60,9,15 60,37,60,9,15 60,35,60,9,15 

60,60,52,10,5 60,60,54,10,5 60,60,56,10,5 60,60,58,10,5 60,60,60,10,5 60,60,10,‐10,5 60,60,12,‐10,5 60,31,60,19,10 60,29,60,19,10 60,27,60,19,10 60,25,60,19,10 60,23,60,19,10 60,21,60,19,10 60,19,60,19,10 60,17,60,19,10 60,15,60,19,10 60,13,60,19,10 60,11,60,19,10 60,59,60,‐19,‐10 60,57,60,‐19,‐10 60,55,60,‐19,‐10 60,53,60,‐19,‐10 60,51,60,‐19,‐10 60,49,60,‐19,‐10 60,47,60,‐19,‐10 60,45,60,‐19,‐10 60,15,60,9,15 60,13,60,9,15 60,11,60,9,15 60,59,60,30,‐8 60,57,60,30,‐8 60,55,60,30,‐8 60,53,60,30,‐8 60,51,60,30,‐8 60,49,60,30,‐8 60,47,60,30,‐8 

Page 273: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

243

60,21,60,‐19,‐8 60,19,60,‐19,‐8 60,17,60,‐19,‐8 60,15,60,‐19,‐8 60,13,60,‐19,‐8 60,11,60,‐19,‐8 60,59,60,9,18 60,57,60,9,18 60,55,60,9,18 60,27,60,30,‐8 60,25,60,30,‐8 60,23,60,30,‐8 60,21,60,30,‐8 60,19,60,30,‐8 60,17,60,30,‐8 60,15,60,30,‐8 60,13,60,30,‐8 60,11,60,30,‐8 60,59,60,‐30,8 60,57,60,‐30,8 60,55,60,‐30,8 60,53,60,‐30,8 60,51,60,‐30,8 60,49,60,‐30,8 60,47,60,‐30,8 60,45,60,‐30,8 60,43,60,‐30,8 60,41,60,‐30,8 60,13,60,40,‐20 60,11,60,40,‐20 60,59,60,‐40,22 60,57,60,‐40,22 60,55,60,‐40,22 60,53,60,‐40,22 60,51,60,‐40,22 60,49,60,‐40,22 

60,33,60,9,15 60,31,60,9,15 60,29,60,9,15 60,27,60,9,15 60,25,60,9,15 60,23,60,9,15 60,21,60,9,15 60,19,60,9,15 60,17,60,9,15 60,39,60,‐30,8 60,37,60,‐30,8 60,35,60,‐30,8 60,33,60,‐30,8 60,31,60,‐30,8 60,29,60,‐30,8 60,27,60,‐30,8 60,25,60,‐30,8 60,23,60,‐30,8 60,21,60,‐30,8 60,19,60,‐30,8 60,17,60,‐30,8 60,15,60,‐30,8 60,13,60,‐30,8 60,11,60,‐30,8 60,59,60,40,‐20 60,57,60,40,‐20 60,55,60,40,‐20 60,53,60,40,‐20 60,25,60,‐40,22 60,23,60,‐40,22 60,21,60,‐40,22 60,19,60,‐40,22 60,17,60,‐40,22 60,15,60,‐40,22 60,13,60,‐40,22 60,11,60,‐40,22 

60,45,60,30,‐8 60,43,60,30,‐8 60,41,60,30,‐8 60,39,60,30,‐8 60,37,60,30,‐8 60,35,60,30,‐8 60,33,60,30,‐8 60,31,60,30,‐8 60,29,60,30,‐8 60,51,60,40,‐20 60,49,60,40,‐20 60,47,60,40,‐20 60,45,60,40,‐20 60,43,60,40,‐20 60,41,60,40,‐20 60,39,60,40,‐20 60,37,60,40,‐20 60,35,60,40,‐20 60,33,60,40,‐20 60,31,60,40,‐20 60,29,60,40,‐20 60,27,60,40,‐20 60,25,60,40,‐20 60,23,60,40,‐20 60,21,60,40,‐20 60,19,60,40,‐20 60,17,60,40,‐20 60,15,60,40,‐20 60,37,60,15,7 60,35,60,15,7 60,33,60,15,7 60,31,60,15,7 60,29,60,15,7 60,27,60,15,7 60,25,60,15,7 60,23,60,15,7 

Page 274: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

244

60,47,60,‐40,22 60,45,60,‐40,22 60,43,60,‐40,22 60,41,60,‐40,22 60,39,60,‐40,22 60,37,60,‐40,22 60,35,60,‐40,22 60,33,60,‐40,22 60,31,60,‐40,22 60,29,60,‐40,22 60,27,60,‐40,22 60,49,60,‐15,10 60,47,60,‐15,10 60,45,60,‐15,10 60,43,60,‐15,10 60,41,60,‐15,10 60,39,60,‐15,10 60,37,60,‐15,10 60,35,60,‐15,10 60,33,60,‐15,10 60,31,60,‐15,10 60,29,60,‐15,10 60,27,60,‐15,10 60,25,60,‐15,10 60,23,60,‐15,10 60,21,60,‐15,10 60,19,60,‐15,10 60,17,60,‐15,10 60,15,60,‐15,10 60,13,60,‐15,10 60,35,60,18,‐8 60,33,60,18,‐8 60,31,60,18,‐8 60,29,60,18,‐8 60,27,60,18,‐8 60,25,60,18,‐8 

60,59,60,15,7 60,57,60,15,7 60,55,60,15,7 60,53,60,15,7 60,51,60,15,7 60,49,60,15,7 60,47,60,15,7 60,45,60,15,7 60,43,60,15,7 60,41,60,15,7 60,39,60,15,7 60,11,60,‐15,10 60,59,60,23,8 60,57,60,23,8 60,55,60,23,8 60,53,60,23,8 60,51,60,23,8 60,49,60,23,8 60,47,60,23,8 60,45,60,23,8 60,43,60,23,8 60,41,60,23,8 60,39,60,23,8 60,37,60,23,8 60,35,60,23,8 60,33,60,23,8 60,31,60,23,8 60,29,60,23,8 60,27,60,23,8 60,25,60,23,8 60,47,60,‐8,8 60,45,60,‐8,8 60,43,60,‐8,8 60,41,60,‐8,8 60,39,60,‐8,8 60,37,60,‐8,8 

60,21,60,15,7 60,19,60,15,7 60,17,60,15,7 60,15,60,15,7 60,13,60,15,7 60,11,60,‐15,10 60,59,60,‐15,10 60,57,60,‐15,10 60,55,60,‐15,10 60,53,60,‐15,10 60,51,60,‐15,10 60,23,60,23,8 60,21,60,23,8 60,19,60,23,8 60,17,60,23,8 60,15,60,23,8 60,13,60,23,8 60,11,60,23,8 60,59,60,18,‐8 60,57,60,18,‐8 60,55,60,18,‐8 60,53,60,18,‐8 60,51,60,18,‐8 60,49,60,18,‐8 60,47,60,18,‐8 60,45,60,18,‐8 60,43,60,18,‐8 60,41,60,18,‐8 60,39,60,18,‐8 60,37,60,18,‐8 60,59,60,8,‐8 60,57,60,8,‐8 60,55,60,8,‐8 60,53,60,8,‐8 60,51,60,8,‐8 60,49,60,8,‐8 

Page 275: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

245

60,23,60,18,‐8 60,21,60,18,‐8 60,19,60,18,‐8 60,17,60,18,‐8 60,15,60,18,‐8 60,13,60,18,‐8 60,11,60,‐8,8 60,59,60,‐8,8 60,57,60,‐8,8 60,55,60,‐8,8 60,53,60,‐8,8 60,51,60,‐8,8 60,49,60,‐8,8 60,21,60,8,‐8 60,19,60,8,‐8 60,17,60,8,‐8 60,15,60,8,‐8 60,13,60,8,‐8 60,11,60,8,‐8 60,59,60,12,9 60,57,60,12,9 60,55,60,12,9 60,53,60,12,9 60,51,60,12,9 60,49,60,12,9 60,47,60,12,9 60,45,60,12,9 60,43,60,12,9 60,41,60,12,9 60,39,60,12,9 60,37,60,12,9 60,35,60,12,9 33,60,60,10,‐6 32,60,60,10,‐6 31,60,60,10,‐6 30,60,60,10,‐6 

60,35,60,‐8,8 60,33,60,‐8,8 60,31,60,‐8,8 60,29,60,‐8,8 60,27,60,‐8,8 60,25,60,‐8,8 60,23,60,‐8,8 60,21,60,‐8,8 60,19,60,‐8,8 60,17,60,‐8,8 60,15,60,‐8,8 60,13,60,‐8,8 60,11,60,‐8,8 60,33,60,12,9 60,31,60,12,9 60,29,60,12,9 60,27,60,12,9 60,25,60,12,9 60,23,60,12,9 60,21,60,12,9 60,19,60,12,9 60,17,60,12,9 60,15,60,12,9 60,13,60,12,9 60,11,60,12,9 59,60,60,10,‐6 58,60,60,10,‐6 57,60,60,10,‐6 56,60,60,10,‐6 55,60,60,10,‐6 54,60,60,10,‐6 53,60,60,10,‐6 14,60,60,10,‐6 13,60,60,10,‐6 12,60,60,10,‐6 11,60,60,10,‐6 

60,47,60,8,‐8 60,45,60,8,‐8 60,43,60,8,‐8 60,41,60,8,‐8 60,39,60,8,‐8 60,37,60,8,‐8 60,35,60,8,‐8 60,33,60,8,‐8 60,31,60,8,‐8 60,29,60,8,‐8 60,27,60,8,‐8 60,25,60,8,‐8 60,23,60,8,‐8 52,60,60,10,‐6 51,60,60,10,‐6 50,60,60,10,‐6 49,60,60,10,‐6 48,60,60,10,‐6 47,60,60,10,‐6 46,60,60,10,‐6 45,60,60,10,‐6 44,60,60,10,‐6 43,60,60,10,‐6 42,60,60,10,‐6 41,60,60,10,‐6 40,60,60,10,‐6 39,60,60,10,‐6 38,60,60,10,‐6 37,60,60,10,‐6 36,60,60,10,‐6 35,60,60,10,‐6 34,60,60,10,‐6 45,60,60,‐10,7 44,60,60,‐10,7 43,60,60,‐10,7 42,60,60,‐10,7 

Page 276: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

246

29,60,60,10,‐6 28,60,60,10,‐6 27,60,60,10,‐6 26,60,60,10,‐6 25,60,60,10,‐6 24,60,60,10,‐6 23,60,60,10,‐6 22,60,60,10,‐6 21,60,60,10,‐6 20,60,60,10,‐6 19,60,60,10,‐6 18,60,60,10,‐6 17,60,60,10,‐6 16,60,60,10,‐6 15,60,60,10,‐6 26,60,60,‐10,7 25,60,60,‐10,7 24,60,60,‐10,7 23,60,60,‐10,7 22,60,60,‐10,7 21,60,60,‐10,7 20,60,60,‐10,7 19,60,60,‐10,7 18,60,60,‐10,7 17,60,60,‐10,7 16,60,60,‐10,7 15,60,60,‐10,7 14,60,60,‐10,7 13,60,60,‐10,7 12,60,60,‐10,7 11,60,60,‐10,7 10,60,60,‐10,7 59,60,60,12,‐8 58,60,60,12,‐8 19,60,60,12,‐8 18,60,60,12,‐8 

10,60,60,10,‐6 59,60,60,‐10,7 58,60,60,‐10,7 57,60,60,‐10,7 56,60,60,‐10,7 55,60,60,‐10,7 54,60,60,‐10,7 53,60,60,‐10,7 52,60,60,‐10,7 51,60,60,‐10,7 50,60,60,‐10,7 49,60,60,‐10,7 48,60,60,‐10,7 47,60,60,‐10,7 46,60,60,‐10,7 57,60,60,12,‐8 56,60,60,12,‐8 55,60,60,12,‐8 54,60,60,12,‐8 53,60,60,12,‐8 52,60,60,12,‐8 51,60,60,12,‐8 50,60,60,12,‐8 49,60,60,12,‐8 48,60,60,12,‐8 47,60,60,12,‐8 46,60,60,12,‐8 45,60,60,12,‐8 44,60,60,12,‐8 43,60,60,12,‐8 42,60,60,12,‐8 41,60,60,12,‐8 40,60,60,12,‐8 39,60,60,12,‐8 50,60,60,‐12,8 49,60,60,‐12,8 

41,60,60,‐10,7 40,60,60,‐10,7 39,60,60,‐10,7 38,60,60,‐10,7 37,60,60,‐10,7 36,60,60,‐10,7 35,60,60,‐10,7 34,60,60,‐10,7 33,60,60,‐10,7 32,60,60,‐10,7 31,60,60,‐10,7 30,60,60,‐10,7 29,60,60,‐10,7 28,60,60,‐10,7 27,60,60,‐10,7 38,60,60,12,‐8 37,60,60,12,‐8 36,60,60,12,‐8 35,60,60,12,‐8 34,60,60,12,‐8 33,60,60,12,‐8 32,60,60,12,‐8 31,60,60,12,‐8 30,60,60,12,‐8 29,60,60,12,‐8 28,60,60,12,‐8 27,60,60,12,‐8 26,60,60,12,‐8 25,60,60,12,‐8 24,60,60,12,‐8 23,60,60,12,‐8 22,60,60,12,‐8 21,60,60,12,‐8 20,60,60,12,‐8 31,60,60,‐12,8 30,60,60,‐12,8 

Page 277: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

247

17,60,60,12,‐8 16,60,60,12,‐8 15,60,60,12,‐8 14,60,60,12,‐8 13,60,60,12,‐8 12,60,60,12,‐8 11,60,60,12,‐8 10,60,60,12,‐8 59,60,60,‐12,8 58,60,60,‐12,8 57,60,60,‐12,8 56,60,60,‐12,8 55,60,60,‐12,8 54,60,60,‐12,8 53,60,60,‐12,8 52,60,60,‐12,8 51,60,60,‐12,8 12,60,60,‐12,8 11,60,60,‐12,8 10,60,60,‐12,8 59,60,60,14,‐6 58,60,60,14,‐6 57,60,60,14,‐6 56,60,60,14,‐6 55,60,60,14,‐6 54,60,60,14,‐6 53,60,60,14,‐6 52,60,60,14,‐6 51,60,60,14,‐6 50,60,60,14,‐6 49,60,60,14,‐6 48,60,60,14,‐6 47,60,60,14,‐6 46,60,60,14,‐6 45,60,60,14,‐6 44,60,60,14,‐6 

48,60,60,‐12,8 47,60,60,‐12,8 46,60,60,‐12,8 45,60,60,‐12,8 44,60,60,‐12,8 43,60,60,‐12,8 42,60,60,‐12,8 41,60,60,‐12,8 40,60,60,‐12,8 39,60,60,‐12,8 38,60,60,‐12,8 37,60,60,‐12,8 36,60,60,‐12,8 35,60,60,‐12,8 34,60,60,‐12,8 33,60,60,‐12,8 32,60,60,‐12,8 43,60,60,14,‐6 42,60,60,14,‐6 41,60,60,14,‐6 40,60,60,14,‐6 39,60,60,14,‐6 38,60,60,14,‐6 37,60,60,14,‐6 36,60,60,14,‐6 35,60,60,14,‐6 34,60,60,14,‐6 33,60,60,14,‐6 32,60,60,14,‐6 31,60,60,14,‐6 30,60,60,14,‐6 29,60,60,14,‐6 28,60,60,14,‐6 27,60,60,14,‐6 26,60,60,14,‐6 25,60,60,14,‐6 

29,60,60,‐12,8 28,60,60,‐12,8 27,60,60,‐12,8 26,60,60,‐12,8 25,60,60,‐12,8 24,60,60,‐12,8 23,60,60,‐12,8 22,60,60,‐12,8 21,60,60,‐12,8 20,60,60,‐12,8 19,60,60,‐12,8 18,60,60,‐12,8 17,60,60,‐12,8 16,60,60,‐12,8 15,60,60,‐12,8 14,60,60,‐12,8 13,60,60,‐12,8 24,60,60,14,‐6 23,60,60,14,‐6 22,60,60,14,‐6 21,60,60,14,‐6 20,60,60,14,‐6 19,60,60,14,‐6 18,60,60,14,‐6 17,60,60,14,‐6 16,60,60,14,‐6 15,60,60,14,‐6 14,60,60,14,‐6 13,60,60,14,‐6 12,60,60,14,‐6 11,60,60,14,‐6 10,60,60,‐14,10 59,60,60,‐14,10 58,60,60,‐14,10 57,60,60,‐14,10 56,60,60,‐14,10 

Page 278: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

248

55,60,60,‐14,10 54,60,60,‐14,10 53,60,60,‐14,10 52,60,60,‐14,10 51,60,60,‐14,10 50,60,60,‐14,10 49,60,60,‐14,10 48,60,60,‐14,10 47,60,60,‐14,10 46,60,60,‐14,10 45,60,60,‐14,10 44,60,60,‐14,10 43,60,60,‐14,10 42,60,60,‐14,10 41,60,60,‐14,10 40,60,60,‐14,10 39,60,60,‐14,10 38,60,60,‐14,10 37,60,60,‐14,10 48,60,60,16,‐10 47,60,60,16,‐10 46,60,60,16,‐10 45,60,60,16,‐10 44,60,60,16,‐10 43,60,60,16,‐10 42,60,60,16,‐10 41,60,60,16,‐10 40,60,60,16,‐10 39,60,60,16,‐10 38,60,60,16,‐10 37,60,60,16,‐10 36,60,60,16,‐10 35,60,60,16,‐10 34,60,60,16,‐10 33,60,60,16,‐10 32,60,60,16,‐10 

36,60,60,‐14,10 35,60,60,‐14,10 34,60,60,‐14,10 33,60,60,‐14,10 32,60,60,‐14,10 31,60,60,‐14,10 30,60,60,‐14,10 29,60,60,‐14,10 28,60,60,‐14,10 27,60,60,‐14,10 26,60,60,‐14,10 25,60,60,‐14,10 24,60,60,‐14,10 23,60,60,‐14,10 22,60,60,‐14,10 21,60,60,‐14,10 20,60,60,‐14,10 19,60,60,‐14,10 18,60,60,‐14,10 29,60,60,16,‐10 28,60,60,16,‐10 27,60,60,16,‐10 26,60,60,16,‐10 25,60,60,16,‐10 24,60,60,16,‐10 23,60,60,16,‐10 22,60,60,16,‐10 21,60,60,16,‐10 20,60,60,16,‐10 19,60,60,16,‐10 18,60,60,16,‐10 17,60,60,16,‐10 16,60,60,16,‐10 15,60,60,16,‐10 14,60,60,16,‐10 13,60,60,16,‐10 

17,60,60,‐14,10 16,60,60,‐14,10 15,60,60,‐14,10 14,60,60,‐14,10 13,60,60,‐14,10 12,60,60,‐14,10 11,60,60,‐14,10 10,60,60,‐14,10 59,60,60,16,‐10 58,60,60,16,‐10 57,60,60,16,‐10 56,60,60,16,‐10 55,60,60,16,‐10 54,60,60,16,‐10 53,60,60,16,‐10 52,60,60,16,‐10 51,60,60,16,‐10 50,60,60,16,‐10 49,60,60,16,‐10 10,60,60,16,‐10 59,60,60,18,8 58,60,60,18,8 57,60,60,18,8 56,60,60,18,8 55,60,60,18,8 54,60,60,18,8 53,60,60,18,8 52,60,60,18,8 51,60,60,18,8 50,60,60,18,8 49,60,60,18,8 48,60,60,18,8 47,60,60,18,8 46,60,60,18,8 45,60,60,18,8 44,60,60,18,8 

Page 279: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

249

31,60,60,16,‐10 30,60,60,16,‐10 41,60,60,18,8 40,60,60,18,8 39,60,60,18,8 38,60,60,18,8 37,60,60,18,8 36,60,60,18,8 35,60,60,18,8 34,60,60,18,8 33,60,60,18,8 32,60,60,18,8 31,60,60,18,8 30,60,60,18,8 29,60,60,18,8 28,60,60,18,8 27,60,60,18,8 26,60,60,18,8 25,60,60,18,8 

12,60,60,16,‐10 11,60,60,16,‐10 24,60,60,18,8 23,60,60,18,8 22,60,60,18,8 21,60,60,18,8 20,60,60,18,8 19,60,60,18,8 18,60,60,18,8 17,60,60,18,8 16,60,60,18,8 15,60,60,18,8 14,60,60,18,8 13,60,60,18,8 12,60,60,18,8 11,60,60,18,8 10,60,60,18,8 59,60,60,‐18,8 58,60,60,‐18,8 

 

43,60,60,18,8 42,60,60,18,8 57,60,60,‐18,8 56,60,60,‐18,8 55,60,60,‐18,8 54,60,60,‐18,8 53,60,60,‐18,8 52,60,60,‐18,8 51,60,60,‐18,8 50,60,60,‐18,8 49,60,60,‐18,8 48,60,60,‐18,8 47,60,60,‐18,8 46,60,60,‐18,8 45,60,60,‐18,8 44,60,60,‐18,8 43,60,60,‐18,8 42,60,60,‐18,8 

 

Page 280: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

250

References

[1]  Nilsson N. J., “Shakey the Robot”, SRI International, Technical Note 323, CA, 

1984. 

[2]  Cameron S., and Probert P., “Advanced Guided Vehicles Aspects of  the 

Oxford AGV Project”, World Scientific, London, 1994. 

[3]  Brooks R. A., “A Robust Layred Control System for a Mobile Robot”, IEEE 

Transction on Robotics and Automation, 1986, Number 2 (1), pp. 14 – 23. 

[4]  Trullier  O., Wiener  S.  I.,  and  Berthoz  A.,  “Biologically  based  artificial 

navigation systems: review and prospects”, Progress in Neurobiology, 1997, 

Number 51(5), pp. 483 – 544. 

[5]  Levitt T. S., and Lawton D. T., “Qualitative navigation for mobile robots”, 

Artificial Intelligence, 1990, Vol. 44, pp. 305 – 360. 

[6]  Feng  L.,  Borenstein  J.,  and  Everett  H.  R.,  “Where  am  I?  Sensors  and 

methods  for  autonomous  mobile  robot  positioning”,  Technical  Report, 

University of Michigan, MI, 1994. 

[7]  Crowley  J.L.,  and Coutaj  J.,  “Navigation  et modelisation pour un  robot 

mobile”, Technique  et Science  Informatiques,  1986, Number  5(5), pp.  391  – 

402. 

[8]  Borenstein  J.,  and  Koren  Y.,  “Noise  reflection  for  ultrasonic  sensors  in 

mobile  robot  application”,  IEEE  Conference  on  Robotics  and  Automation, 

Nice, France, 1992, pp. 1727 – 1732. 

[9]  Borenstein  J.,  and  Koren  Y.,  “Error  eliminating  rapid  ultrasonic  firing 

ultrasonic  firing  for mobile  robot obstacle  avoidance”,  IEEE Transactions 

on Robotics and Automation, 1995, Vol. 11(1), pp. 132 – 138. 

Page 281: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

251

[10]  Borenstein  J.,  “Internal  correction of dead‐reckoning  errors with  a dual‐

drive  compliant  linkage mobile  robot”,  Journal  of  Robotic  Systems,  1995, 

Vol. 12(4), pp. 257 – 273. 

[11]  Racz  J.,  and Dubrawski A.,  “Artificial  neural‐network  for mobile  robot 

topological localisation”, Robotics and Autonomous Systems, 1995, Vol. 16(1), 

pp. 73 – 80. 

[12]  Cerulli R., Festa P., Raiconi G., and Visciano G., “The action technique for 

the  sensor  based navigation planning  of  an  autonomous mobile  robot”, 

Journal of intelligent and Robotic Systems, 1998, Vol. 21(44), pp. 373 – 395. 

[13]  Buchberger M., Jorg K., and Puttkamer E. V., “Laserradar and sonar based 

world modeling  and motion  control  for  fast  obstacle  avoidance  of  the 

autonomous mobile  robot MOBOT‐IV”,  IEEE Conference  on Robotics  and 

Automation, Atlanta, Georgia, 1993, pp. 534 – 540. 

[14]  Tsoukalas  L. H., Houstics  E. N.,  and  Jones G. V.,  “Neurofuzzy motion 

planners  for  intelligent  robots”,  Journal  of  intelligent  and Robotic  Systems, 

1997, Vol. 19(3), pp. 339 – 356. 

[15]  Lozana‐Perez T., and Wesley M. A., “An algorithm for planning collision 

free  paths  among  polyhedral  obstacles”, ACM22,  1979, Number  10,  pp. 

560 – 570. 

[16]  Khatib  O.,  “Real‐time  obstacle  avoidance  for manipulators  and mobile 

robots”, ” IEEE Conference on Robotics and Automation, 1985, pp. 500 – 505. 

[17]  Guldner J., Utkin V. I., and Hushimoto H., “Robot obstacle avoidance in n‐

dimensional  space  using  planar  harmonic  artificial  potential  fields”, 

ASME  Transactions,  Journal  of Dynamic  Systems Measurement  and Control, 

1997, Vol. 19(2), pp. 160 – 166.  

Page 282: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

252

[18]  Shkel  A.  M.,  and  Lumelsky  V.  J.,  “The  joggers  problem:  Control  of 

dynamics in real‐time motion planning”, Automatica, 1997, Vol. 33(7), pp. 

1219 – 1233.  

[19]  Luo  R.  C.,  and  Kay  M.  G.,  “Multisensor  integration  and  fusion  in 

intelligent  system”,  IEEE  Transactions  on  Systems, Man  and  Cybernetics, 

1989, Vol. 19(5), pp. 901 – 931. 

[20]  Lin  I.  S.,  Wallner  F.,  and  Dillmann  R.,  “Interactive  control  and 

environment  modelling  for  a  mobile  robot  based  on  multi  sensor 

perceptions”, Robotics and Autonomous Systems, 1996, Vol. 18(3), pp. 301 – 

310. 

[21]  Fox D., Burgard W.,  and Thrun  S.,  “The dynamic window  approach  to 

collision  avoidance”,  IEEE  Robotics  and Automation Magazine,  1997, Vol. 

4(1), pp. 23 – 33. 

[22]  Yamamoto Y., and Yun X., “Coordinating Locomotion and Manipulation 

of  a Mobile Manipulator”,  IEEE Transactions  on Robotics  and Automation, 

1994, Vol. 39, pp. 1326–1332. 

[23]   Seraji  H.,  “A  Unified  Approach  to  Motion  Control  of  Mobile 

Manipulators”,  The  International  Journal  of  Robotics  Research,  1998,  Vol. 

17(2), pp. 107‐118.  

[24]   Huang Q., Tanie K., and Sugano S., “Coordinated Motion Planning for a 

Mobile  Manipulator  Considering  Stability  and  Manipulation”,  The 

International Journal of Robotic Research, 2000, Vol. 19 (8), pp. 732 – 742. 

[25]  Tchon K., and Muszynski R., “Instantaneous Kinematics and Dexterity of 

Mobile Manipulators”, 2000,  IEEE  International Conference on Robotics and 

Automation, pp. 2493–2498. 

Page 283: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

253

[26]   K.  Tchon,  J.  Jakubiak,  and  R.  Muszynski,  “Kinematics  of  Mobile 

Manipulators:  A  Control  Theoretic  Perspective”,  Archives  of  Control 

Science, 2001, Vol. 11, pp. 195–221. 

[27]   K. Tchon, J. Jakubiak, and R. Muszynski, “Doubly Nonholonomic Mobile 

Manipulators”,  2000,  IEEE  International  Conference  on  Robotics  and 

Automation, Vol. 5, pp. 4590 – 4595. 

[28]  Alexander  J.C.,  and  Maddocks  J.H.  “On  the  Kinematics  of  Wheeled 

Mobile  Robots”,  The  International  Journal  of  Robotics  Research,  1989,  Vol. 

8(5), pp. 15‐27. 

[29]   Muir  P.F.,  and Neuman C.P.,  “Kinematic Modeling  of Wheeled Mobile 

Robots”, Journal of Robotic Systems, 1987, Vol. 4(2), pp. 281 – 340. 

[30]  Tsuchiya K., Urakubo  T.,  and Tsujita K.,  “A Motion Control  of  a Two‐

Wheeled Mobile Robot”, IEEE International Conference on Systems, Man, and 

Cybernetics, 1999, Vol. 5, pp. 690 – 696. 

[31]   Mester  G.,  “Motion  Control  of  Wheeled  Mobile  Robots”,  4th  Serbian‐

Hungarian Joint Symposium on Intelligent Systems, 2006, pp. 119 – 130.  

[32]  Hwang Y. K., and Ahuja N., “Gross Motion Planning  ‐ A Survey”, ACM 

Computing Surveys, 1992, Vol. 24(3), pp. 219 ‐ 291. 

[33]   Chakraborty N., and Ghosal A., “Kinematics of Wheeled Mobile Robots 

on Uneven Terrain”, Mechanism and Machine Theory, 2004, Vol. 39, pp. 1273 

– 1287.  

[34]  Latombe  J.C.,  “Robot  Motion  Planning,  Boston”,  MA,  USA:  Kluwer 

Academic Publishers, 1991. 

Page 284: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

254

[35]  Fraichard T.,  and Garnier P.,  “A  fuzzy Motion Controller  for  a Car‐like 

Vehicle”, IEEE‐RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 

1996, Vol. 3, pp. 1171–1178. 

[36]  Zadeh L. A., “Fuzzy Sets”, Journal of Information and Control, 1965, Vol. 8, 

pp. 338 – 353. 

[37]   Mamdani E. H., and Assilian S., “An Experiment  in Linguistic Synthesis 

with  a  Fuzzy  Logic  Controller”,  International  Journal  of  Man  Machine 

Studies, 1975, Vol. 7(1), pp. 1‐13. 

[38]   Kickert  W.J.M.,  and  Mamdani  E.  H.,  “Analysis  of  a  Fuzzy  Logic 

Controller”, Fuzzy Set and Systems, 1978, Vol. 12, pp. 29‐44. 

[39]   Lacroix S., Chatila R., Fleury S. Herrb M. and Simeon T., “Autonomous 

Navigation  in  Outdoor  Environment:  Adaptive  Approach  and 

Experiment”,  IEEE  International  Conference  on  Robotics  and  Automation, 

1994, Vol. 1, pp. 426‐432. 

[40]   Goldberg S. B., Maimone M. W., and Matthies L. H., “Stereo Vision and 

Rover  Navigation  Software  for  Planetary  Exploration”,  IEEE  Aerospace 

Conference, 2002, Vol. 5, pp. 2025‐2036. 

[41]   Singh  S.,  Simmons  R.,  Smith  T.,  Stentz  A.,  Verma  V.,  Yahja  A.,  and 

Schwehr  K.,  “Recent  Progress  in  Local  and  Global  Traversability  for 

Planetary  Rovers”,  IEEE  International  Conference  on  Robotics  and 

Automation, 2000, Vol. 2, pp. 1194 ‐1200. 

[42]   Langer D., Rosenblatt J. K., and Hebert M., “A behavior‐based system for 

off‐road navigation”,  IEEE Transactions  on Robotics  and Automation, 1994, 

Vol. 10, pp. 776‐783. 

Page 285: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

255

[43]   Seraji  H.,  and  Howard  A.,  “Behavior‐based  robot  navigation  on 

challenging terrain: A fuzzy logic approach”, IEEE transactions on robotics 

and automation, 2002, Vol. 18(3), pp. 308‐321. 

[44]   Li S. Tzuu‐Hseng and Chang S. J., “Autonomous fuzzy parking control of 

a  car‐like  mobile  robot”,  IEEE  Transactions  on  Systems,  Man,  and 

Cybernetics, 2003, Vol. 33(4), pp. 451 ‐ 465. 

[45]   Li  S.  Tzuu‐Hseng, Chang  S.  J.  and Chen  Yi‐Xiang,  “Implementation  of 

human‐like  driving  skills  by  autonomous  fuzzy  behavior  control  on  an 

FPGA‐based  car‐like  mobile  robot”,  IEEE  Transactions  on  Industrial 

Electronics, 2003, Vol. 50(5), pp. 867 ‐ 880. 

[46]   Baturone  H.,  Francisco  J.,  Moreno‐Velo,  Santiago  Sanchez‐Solano,  and 

Ollero A., “Automatic design of fuzzy controllers for car‐like autonomous 

robots”, IEEE Transactions on Fuzzy Systems, 2004, Vol. 12(4), pp. 447 ‐ 464. 

[47]   Ohkita  M.,  Miyata  H.,  and  Miura  M.,  “Travelling  experiment  of  an 

autonomous  mobile  robot  for  a  flush  parking”,  IEEE  International 

conference on fuzzy systems, 1993, pp. 327 – 332. 

[48]   Zhao Y., and Collins Jr. E. G., “Robust automatic parallel parking in tight 

spaces via  fuzzy  logic”, Robotics  and Autonomous Systems, 2005, Vol.   51, 

pp. 111–127. 

[49]   Maeda M., Shimakawa M., and Murakami S., “Predictive fuzzy control of 

an autonomous mobile robot with forecast  learning function”, Fuzzy Sets 

and Systems, 1995, Vol. 72(1), pp. 51‐60.  

[50]   Joo  Y.  H.,  Hwang  H.  S.,  Kim  K.  B.,  and  Woo  K.  B.,  “Fuzzy  system 

modeling  by  fuzzy  partition  and  GA  hybrid  schemes”,  Fuzzy  Sets  and 

Systems, 1997, Vol. 86(3), pp. 279‐288.  

Page 286: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

256

[51]   Montaner  M.  B.,  and  Ramirez‐Serrano  A.,  “Fuzzy  knowledge‐based 

controller design  for autonomous  robot navigation”, Expert Systems with 

Applications, 1998, Vol. 14 (1‐2), pp. 179‐186.  

[52]   Iwakoshi Y., Furuhashi T., and Uchikaw Y., “A Fuzzy classifier system for 

evolutionary  learning  of  robot  behaviors”,  Applied  Mathematics  and 

Computation, 1998, Vol. 91(1), pp. 73‐81.  

[53]  Li  S.  Tzuu‐Hseng,  Chang  S.  J.,  and  Tong W.,  “Fuzzy  target  tracking 

control  of  autonomous mobile  robots  by  using  infrared  sensors”,  IEEE 

Transactions on Fuzzy Systems, Vol. 12, No. 4, 2004, pp. 491 ‐ 501. 

[54]   Xu W. L., Tso S. K., and Fung Y. H., “Fuzzy reactive control of a mobile 

robot  incorporating a  real/virtual  target switching strategy”, Robotics and 

Autonomous Systems, 1998, Vol. 23, pp. 171‐186.  

[55]   Toda M., Kitani O., Okamoto T., and Torii T., “Navigation method  for a 

mobile robot via sonar‐based crop row mapping and fuzzy logic control”, 

Journal of Agricultural Engineering Research, 1999, Vol. 72 (4), pp. 299 ‐ 309. 

[56]   Rigatos G. G., Tzafestas C. S., and Tzafestas S.G., “Mobile  robot motion 

control  in partially unknown  environments using a  sliding‐mode  fuzzy‐

logic controller”, Robotics and Autonomous Systems, 2000, Vol. 33, pp. 1 – 11. 

[57]   Das T., and Kar  I. N., “Design and  implementation of an adaptive  fuzzy 

logic‐based  controller  for wheeled mobile  robots”,  IEEE  Transactions  on 

Control Systems Technology, May 2006, Vol. 14 (3), pp. 501‐510. 

[58]   Lee  T‐L.,  and  Wu  C‐J., “Fuzzy  motion  planning  of  mobile  robots  in 

unknown  environments”,  Journal  of  Intelligent  and Robotic  Systems,  2003, 

Vol. 37(2), pp. 177 – 191. 

Page 287: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

257

[59]   Vadakkepat P., Miin O. C., Peng X., and Lee T. H., “Fuzzy behavior‐based 

control of mobile robots”, IEEE Transactions on Fuzzy Systems, 2004, Vol. 12 

(4), pp. 559‐564. 

[60]   Yang  X.,  Moallem  M.,  and  Patel  R.V.,  “A  sensor‐based  navigation 

algorithm  for  a mobile  robot  using  fuzzy  logic”,  International  Journal  of 

Robotics and Automation, 2006, Vol. 21(2), pp. 129‐140. 

[61]   Kodagoda K. R.  S., Wijesoma W.  S.,  and Teoh E. K.,  “Fuzzy  speed  and 

streering  control  of  an  AGV”,  IEEE  Transactions  on  Control  Systems 

Technology, 2002, Vol. 10(1), pp. 112 – 120. 

[62]   Fukuda  T.,  and  Kubota N.,  “An  intelligent  robotic  system  based  on  a 

fuzzy approach”, Proceedings of the IEEE, 1999, Vol. 87, pp. 1448 ‐ 1470. 

[63]   Castellano G., Attolico  S.,  and Distante A.,  “Automation  generation  of 

fuzzy  rules  for  reactive  robot  controllers”,  Robotics  and  Autonomous 

Systems, 1997, Vol. 22, pp. 133 – 149. 

[64]   Castellano G., Attolico G., Stella. E., and Distante A., “Reactive navigation 

by  fuzzy  control”,  Fifth  IEEE  International  Conference  on  Fuzzy  Systems, 

1996, Vol. 3, pp. 2143‐2149. 

[65]   Benreguieg M., Hoppenot P., Maaref H., Colle E., and Barret C, “Fuzzy 

navigation  strategy:  application  to  two  distinct  autonomous  mobile 

robots”, Robotica, 1997, Vol. 15, pp. 609‐615. 

[66]   Goodridge S. G., and Kay G. M., “Multilayred  fuzzy behavior  fusion  for 

real‐time  reactive  control  of  systems  with  multiple  sensors”,  IEEE 

Transactions on Industrial Electronics, 1996, Vol. 43(3), pp. 387 – 394. 

Page 288: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

258

[67]  Miyata  H.,  Ohki  M.,  Yokouchi  Y.,  and  Ohkita  M.,  “Control  of  the 

autonomous mobile robot DREAM ‐1 For a parallel parking”, Mathematics 

and Computers in Simulation, 1996, Vol. 41, pp. 129 –138. 

[68]  Yen  J.,  and  Pfluger N.,  “A  fuzzy  logic  based  extension  to  payton  and 

rosenblatt’s command  fusion method  for mobile robot navigation”,  IEEE 

Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, 1995, Vol. 25(6), pp. 971‐978. 

[69]   Beom R. H., and Cho S. H., “A sensor‐based navigation for a mobile robot 

using  fuzzy  logic  and  reinforcement  learning”,  IEEE  Transactions  on 

Systems, Man, and Cybernetics, 1995, Vol. 25(3), pp. 464 ‐ 477. 

[70]  Beaufrere B., and Zeghloul S., “A mobile robot navigation method using a 

fuzzy logic approach”, Robotica, 1995, Vol. 13, pp. 437 – 448.  

[71]   Fu Y., Li H., Xu H., Wang S., and Ma Y., “Parallel Double‐layered Fuzzy 

Control  System  of  Autonomous  Robot  in  Unknown  Environment”, 

Systems  and Control  in Aerospace  and Astronautics,  ISSCA 1st  International 

Symposium, 19‐21 January 2006, pp. 514 ‐ 519. 

[72]   Carinena  P.,  Reguriro  C.  V.,  Otero  A.,  Bugarin  A.  J.,  and  Barro  S., 

“Landmark detection in mobile robotics using fuzzy temporal rules”, IEEE 

Transactions on Fuzzy Systems, 2004, Vol. 12(4), pp. 423 ‐ 433. 

[73]   Mucientes M.,  Lglesias  R.,  Regueiro  C.  V.,  Carifiena  P.,  and  Barro  S., 

“Fuzzy  temporal  rules  for  mobile  robot  guidance  in  dynamic 

environment”, IEEE Transactions on Fuzzy Systems, 2001, Vol. 31(3), pp. 391 

‐ 398. 

[74]   Liu K., and Lewis F. L., “Fuzzy  logic based navigation and maneuvering 

for a mobile robot system”, IEEE Mediterranean Symposium New Directions 

in Control and Automation, 1994, pp. 555‐562. 

Page 289: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

259

[75]  Pratihar D. K., and Bibel W., “Near‐optimal, collision‐free path generation 

for multiple robots working in the same workspace using a genetic‐fuzzy 

systems”, Machine Intelligence and Robotic Control, 2003, Vol. 5(2), pp. 45—

58. 

[76]  Aguirre  E.,  and  Gonzalez  A.,  “Fuzzy  behaviors  for  mobile  robot 

navigation:  design,  coordination  and  fusion”,  International  Journal  of 

Approximate Reasoning, 2000, Vol. 25, pp. 255‐289. 

[77]   Tanaka K., Kosaki  T.,  and Wang H. O.,  “Backing  control  problem  of  a 

mobile  robot  with  multiple  trailers:  fuzzy  modeling  and  LMI‐based 

design”,  IEEE  Transactions  on  Systems, Man,  and  Cybernetics,  1998,  Vol. 

28(3), pp. 329 ‐ 337. 

[78]   Demirli  K.,  and  Molhim  M.,  “Fuzzy  dynamic  localization  for  mobile 

robots”, Fuzzy Sets and Systems, 2004, Vol. 144, pp. 251–283. 

[79]   Mucientes M., Moreno D. L., Bugarin A., and Barro S., “Design of a fuzzy 

controller  in  mobile  robotics  using  genetic  algorithms”,  Applied  Soft 

Computing, 2007, Vol. 7 (2), pp. 540 – 546. 

[80]   Khatib‐Al M., and Saade J. J., “An efficient data‐driven fuzzy approach to 

the motion planning problem of a mobile robot”, Fuzzy Sets and Systems, 

2003, Vol. 134, pp. 65–82. 

[81]   Abdessemed  F.,  Benmahammed  K.,  and Monacelli  E.,  “A  fuzzy‐based 

reactive  controller  for  a  non‐holonomic  mobile  robot”,  Robotics  and 

Autonomous Systems, 2004, Vol.  47, pp. 31–46. 

[82]  Godjevac J., “Fuzzy systems and neural networks”, Intelligent Automation 

and Soft Computing, 1998, Vol. 4(1), pp. 27 – 37. 

Page 290: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

260

[83]  Peterson  J.L.,  “Petri  Net  theory  and  the Modelling  of  Systems”,  1981, 

(Prentice‐Hall, Englewood Cliff.N.J.) 

[84]  Haykin  S.,  “Neural  Networks  A  Comprehensive  Foundation”  1999, 

Second  edition,  International  Edition,  Prentice  Hall  International,  Inc., 

Printed in the United States of America. 

[85]  Bolt G. R., “Fault Tolerance in Artificial Neural Networks”, D. Phil Thesis, 

York University, Ontario, 1992. 

[86]   Tani  J.,  and  Fukumura  N.,  “Learning  Goal‐Directed  Sensory‐Based 

Navigation of a Mobile Robot”, Neural Networks, 1994, Vol. 7(3), pp. 553‐

563. 

[87]   Tani J., and Fukumura N., “Embedding Task‐Based Behavior into Internal 

Sensory‐Based Attraction Dynamics  in Navigation  of  a Mobile  Robot”, 

IEEE International Conference of Intelligent Robots and Systems, 1994, pp. 886 

‐ 893. 

[88]   Tani  J.,  and  Fukumura N.,  “Embedding  a  Grammatical  Description  in 

Deterministic  Chaos,  An  Experiment  in  Recent  Neural  Learning”, 

Biological Cybernetics, 1995, Vol. 72, pp. 365 ‐ 370. 

[89]   Tani  J.,  and  Fukumura  N.,  “Self‐organizing  Internal  Representation  in 

Learning  of  Navigation:  A  Physical  Experiment  by  the  Mobile  Robot 

YAMABICO”, Neural Network, 1997, Vol. 10(1), pp. 153 ‐ 159. 

[90]  Millan J. R., “Incremental Acquisition of Local Networks for the Control of 

Autonomous Robots”,  Seventh  international Conference  on Artificial Neural 

Networks, 1997, pp. 739 – 744. 

Page 291: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

261

[91]  Castellano  G.,  Attolico  G.,  and  Distance  A.,  “Incremental  Learning  of 

Neural  Reactive  Controller”,  Sixth  International  Conference  on  Intelligent 

Systems, Boston, 1997, pp. 11 – 13. 

[92]   Dubrawski  A.,  and  Crowley  J.  L.,  “Self‐supervised  Neural  System  for 

Reactive Navigation”,  International Conference on Robotics and Automation, 

1994, pp. 2076‐2082. 

[93]  Gu  D.,  and  Hu  H.,  “Neural  Predictive  Control  for  a  Car‐Like Mobile 

Robot”, Robotics and Autonomous Systems, 2002, Vol. 39, pp. 73–86. 

[94]   Yang S. X., and Meng M., “An Efficient Neural Network Method for Real‐

Time  Motion  Planning  with  Safety  Consideration”,  Robotics  and 

Autonomous System, 2000, Vol.  32, pp. 115–128. 

[95]  Yang  S.  X.,  and Meng M.,  “Neural  Network  Approaches  to  Dynamic 

Collision‐Free Trajectory Generation”, IEEE Transactions on Systems, Man, 

and Cybernetics—Part B: Cybernetics, 2001, Vol. 31(3), pp. 302 – 318. 

[96]  Yang S. X., and Meng M. Q.‐H., “Real‐time Collision‐free Motion Planning 

of  a  Mobile  Robot  Using  a  Neural  Dynamics‐Based  Approach”,  IEEE 

Transactions on Neural Networks, 2003, Vol. 14(6), pp. 1541 – 1552.  

[97]  Ster B., “An Integrated Learning Approach to Environment Modelling  in 

Mobile Robot Navigation”, Neurocomputing, 2004, Vol. 57, pp. 215 – 238. 

[98]  Weber  C., Wermter  S.,  and  Zochios  A.,  “Robot  Docking  with  Neural 

Vision  and  Reinforcement”,  Knowledge‐Based  Systems,  2004,  Vol.  17,  pp. 

165–172. 

[99]  Janglova  D.,  “Neural Networks  in Mobile  Robot Motion”,  International 

Journal of Advanced Robotic Systems, 2004, Vol. 1(1), pp. 15‐22. 

Page 292: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

262

[100]  Lebedev  D.  V.,  Steil  J.  J.,  Ritter H.  J.,  “The  Dynamic Wave  Expansion 

Neural  Network  Model  for  Robot  Motion  Planning  in  Time‐varying 

Environments”, Neural Networks, 2005, Vol. 18, pp. 267 – 285. 

[101]  Saga K., Sugasaka T., Sekiguchi M., and Nagata S., “Mobile Robot Control 

by Neural Networks using  Self‐Supervised Learning”,  IEEE Transactions 

on Industrial Electronics, 1992, Vol. 39(6), pp. 537 ‐ 542. 

[102]  Gaudiano P., Zalama E.,  and Coronado  J. L.,  “An Unsupervised Neural 

Network  for  Low‐Level  Control  of  a  Wheeled  Mobile  Robot:  Noise 

Resistance,  Stability,  and Hardware  Implementation”,  IEEE  Transactions 

on Systems, Man,  and Cybernetics‐Part B: Cybernetics,  1996, Vol.  26(3), pp. 

485 – 396. 

[103]  Fierro  R.,  and  Lewis  F.  L.,  “Control  of  a Nonholonomic Mobile  Robot 

using Neural Networks”,  IEEE Transactions on Neural Networks, Vol. 9(4), 

1998, pp. 589 ‐ 600. 

[104]  Gutierrez‐Osuna R.,  Janet  J. A.,  and Luo R. C.,  “Modeling of Ultrasonic 

Range  Sensors  for  Localization  of  Autonomous  Mobile  Robots”,  IEEE 

transactions on industrial electronics, Vol. 45(4), 1998, pp. 654 – 662. 

[105]  Barshan B., Ayrulu B.,  and Utete  S. W.,  “Neural Network‐Based Target 

Differentiation using Sonar  for Robotics Applications”,  IEEE Transactions 

on Robotics and Automation, Vol. 16(4), 2000, pp.  435 ‐ 442. 

[106]  Giaquinto N., Savino M., and Taraglio S., “A CNN‐based Passive Optical 

Range Finder  for Real‐Time Robotic Applications”,  IEEE Transactions  on 

Instrumentation and Measurement, 2002, Vol. 51(2), pp. 314 ‐ 319. 

[107]  Kositsky M., Karniel A., Alford S., Fleming K. M., and Mussa‐Ivaldi F. A., 

“Dynamical  Dimension  of  a  Hybrid  Neurorobotic  System”,  IEEE 

Page 293: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

263

Transactions  on  Neural  Systems  and  Rehabilitation  Engineering,  2003,  Vol. 

11(2), pp. 155 – 159. 

[108]  Quoy M., Moga  S.,  and Gaussier  P.,  “Dynamical Neural Networks  for 

Planning  and  Low‐Level  Robot  Control”,  IEEE  Transactions  on  Systems, 

Man, and Cybernetics—Part A: Systems and Humans, 2003, Vol. 33(4), pp. 523 

– 532. 

[109]   Kho K. C., and Cho H. S., “A Neural Net – Based Feed Forward Control 

Scheme for Mobile Robots”, IEEE/RSJ  International Workshop on Intelligent 

Robots and Systems, 1991, pp. 813 – 817.  

[110]  Kar  I.  N.,  Das  T.,  and  Chaudhury  S.,  “Simple  neuron‐based  adaptive 

controller for a nonholonomic mobile robot including actuator dynamics”, 

Neurocomputing, 2006, Vol. 69 (16 – 18), pp. 2140‐2152. 

[111]   Pal  P.  K.,  Kar  A.,  “Sonar‐based  Mobile  Robot  Navigation  Through 

Supervised Learning on a Neural Net”, Autonomous Robots, 1996, Vol. 3, 

pp. 355 – 374. 

[112]  Zhang Q.,  Shippen  J.,  and  Jones  B.,  “Robust  Backstepping  and Neural 

Network  Control  of  a  Low‐Quality  Nonholonomic  Mobile  Robot”, 

International  Journal of Machine Tools and manufacturing, Vol. 39, 1999, pp. 

1117 – 1134. 

[113]   Marichal G.N., Acosta L., Moreno L., M‐endez J.A., Rodrigo J. J., and Sigut 

M., “Obstacle Avoidance for a Mobile Robot: A Neuro‐Fuzzy Approach”, 

Fuzzy Sets and Systems, Vol. 124(2), 2001, pp. 171 – 179. 

[114]   Acosta, L., Marichal, G. N., Moreno, L., Mendez, J. A., and Rodrigo, J. J., 

“Obstacle Avoidance using the Human Operator Experience for a Mobile 

Robot”, Journal of Intelligent and Robotic Systems, 2000, 27(4), pp. 305 – 319. 

Page 294: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

264

[115]   Ma X., Li X., and Qiao H., “Fuzzy Neural Network‐Based Real‐Time Self–

Reaction of Mobile Robot in Unknown Environments”, Mechatronics, 2001, 

Vol. 11, pp. 1039 – 1052. 

[116]  Lee M.,  “Evolution  of  Behaviors  in Autonomous  Robot  using Artificial 

Neural Network and Genetic Algorithm”,  Information Sciences, 2003, Vol. 

155, pp. 43–60. 

[117]  Er, M.  J.,  Tan  T.  P.,  and  Loh  S.  Y.,  “Control  of  a Mobile  Robot  using 

Generalized  Dynamic  Fuzzy  Neural  Networks”,  Microprocessors  and 

Microsystems , 2004, Vol. 28(9), pp. 491‐498.  

[118]   Er M.  J, Deng C., “Obstacle Avoidance of a Mobile Robot Using Hybrid 

Learning Approach”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2005, Vol. 

52(3), pp. 898 – 905. 

[119]  Hui N. B., Mahendar V., and Pratihar D. K., “Time‐optimal, collision‐free 

navigation  of  a  car‐like  mobile  robot  using  neuro‐fuzzy  approaches”, 

Fuzzy Sets and Systems, 2006, Vol. 157 (16), pp.  2171 ‐ 2204. 

[120]  Watanabe K., Tang J., Nakamura M., Koga S., and Fukuda T., “A Fuzzy‐

gaussian Neural Network and  its Application  to Mobile Robot Control”, 

IEEE Transactions  on Control Systems Technology, 1996, Vol. 4(2), pp. 193‐

199. 

[121]  Watanabe K.,  Tang  J., Nakamura M., Koga  S.,  and  Fukuda  T.,  “Mobile 

Robot  Control  using  Fuzzy‐Gaussian  Neural  Networks”,  IEEE/RSJ 

International Conference  on  Intelligent Robots  and  Systems,  1993,  pp.  919  – 

925. 

Page 295: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

265

[122]  Ng K. C., and Trivedi M. M., “A Neuro‐Fuzzy Controller for Mobile Robot 

Navigation  and  Multirobot  Convoying”,  IEEE  Transactions  on  Systems, 

Man, and Cybernetics—PartB: Cybernetics, 1998, Vol. 28(6), pp. 829‐840. 

[123]  Araujo R.,  and Almeida A.  T.,  “Learning  Sensor‐Based Navigation  of  a 

Real Mobile Robot  in Unknown Worlds”,  IEEE  Transactions  on  Systems, 

Man, and Cybernetics—Part B: Cybernetics, 1999, Vol. 29(2), pp. 164 – 178.   

[124]  Moon Sang‐Woo and Kong Seong‐Gon, “Block‐Based Neural Networks”, 

IEEE Transactions On Neural Networks, 2001, Vol. 12(2), pp.  307 – 317. 

[125]  Ye C., Yung N. H. C., and Wang D., “A Fuzzy Controller with Supervised 

Learning  Assisted  Reinforcement  Learning  Algorithm  for  Obstacle 

Avoidance”,  IEEE Transactions  on  Systems, Man,  and Cybernetics—Part B: 

Cybernetics, 2003, Vol. 33(1), pp. 17 – 27. 

[126]  Pulasinghe K., Watanabe K., Izumi K., and Kiguchi K., “Modular Fuzzy‐

Neuro  Controller  Driven  by  Spoken  Language  Commands”,  IEEE 

Transactions  on  Systems, Man,  and  Cybernetics—Part  B:  Cybernetics,  2004, 

Vol. 34(1), pp.  293 – 302. 

[127]  Cavalcanti A., and Jr R. A. F., “Nanorobotics Control Design: A Collective 

Behavior  Approach  for Medicine”,  IEEE  Transactions  on  Nanobioscience, 

2005, Vol. 4(2), pp. 133 – 140. 

[128]  Ro P.  I., and Lee B. R., “Neural‐Fuzzy Hybrid System  for Mobile Robot 

Path‐Planning  in  a  Partially  Known  Environment”,  American  Control 

Conference, 1995, pp. 673 – 677. 

[129]  Daxwanger W. A.,  Schmidt G.  K.,  “Skill‐Based  Visual  Parking  Control 

using  Neural  and  Fuzzy  Networks”,  IEEE  International  Conference  on 

Systems, Man and Cybernetics, 1995, Vol. 2, pp.   1659‐1664. 

Page 296: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

266

[130]  Dubrawski A., Reignier P., “Learning to Categorize Perceptual Space of a 

Mobile  Robot  using  Fuzzy‐ART  Neural  Network”,  IEEE/RSJ/GI 

International  Conference  on  Intelligent  Robots  and  Systems,  1994,  pp.  1272‐

1277. 

[131]  Li  W.,  “Neuro‐Fuzzy  Systems  for  Intelligent  Robot  Navigation  and 

Control  Under  Uncertainty”,  International  Joint  Conference  of  the  Fourth 

IEEE International Conference on Fuzzy Systems and The Second International 

Fuzzy Engineering Symposium, 1995, Vol. 4, pp. 1747‐1754. 

[132]  Godjevac  J.,  and  Steele  N.,  “Adaptive  Neuro‐Fuzzy  Controller  for 

Navigation  of Mobile  Robot”,  International  Symposium Workshop  Neuro‐

Fuzzy Systems, 1996, pp. 111‐119. 

[133]  Tunstel  E., Akbarzadeh‐T M.‐R., Kumbla K.,  and  Jamshidi M.,  “Hybrid 

Fuzzy‐Control  Schemes  for  Robotic  Systems”,  IEEE  International 

Symposium on Intelligent Control, 1995, pp. 171‐176. 

[134]  Bourdon  G.,  and  Henaff  P.,  “Fuzzy  and  Neural  Control  for  Mobile 

Robotics  Experimentations”,  International  Conference  on  Knowledge‐Based 

Intelligent Electronic Systems, 1997, pp. 659 – 666. 

[135]  Rusu P., Petriu E.   M., Whalen T. E., Cornell A., and Spoelder H.  J. W., 

“Behavior‐Based Neuro‐Fuzzy Controller  for Mobile Robot Navigation”, 

IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2003, Vol. 52(4), pp. 

1335 – 1340. 

[136]  Mbede  J. B., Ele P., Mveh‐Abia Chantal‐Marguerite, Toure Y., Graefe V., 

and Ma  S.,  “Intelligent Mobile Manipulator Navigation  using Adaptive 

Neuro‐Fuzzy Systems”, Information Sciences, 2005, Vol. 171, pp. 447–474. 

Page 297: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

267

[137]  Pratihar D. K., Deb K.,  and Ghosh A.,  “A Genetic‐Fuzzy Approach  for 

Mobile Robot Navigation among Moving Obstacles”, International Journal 

of Approximate Reasoning, 1999, Vol. 20, pp. 145 – 172. 

[138]  Hegazy O. F.,  Fahmy A. A.,  and  Refaie O. M. E.,  “An  Intelligent  Robot 

Navigation  System  Based  on  Neuro‐Fuzzy  Control”,  Lecture  Notes  in 

Computer Science, 2004, Vol. 3157, pp. 1017 – 1018. 

[139]  Nefti S., Oussalah M. , Djouani K.,  and Pontnau J., “Intelligent Adaptive 

Mobile Robot Navigation”,  Journal of Intelligent and Robotic Systems, 2001, 

Vol. 30(4), pp.311 – 329.  

[140]  Tsoukalas  L. H.,  Houstis  E. N.,  and  Jones  G. V.,  “Neurofuzzy  Motion 

Planners  for  Intelligent Robots”,  Journal  of  Intelligent  and Robotic Systems, 

1997, Vol. 19, (3), pp. 339 – 356.  

[141]  Althoefer  K.,  Krekelberg  B.  Husmeier  D.,  and  Seneviratne  L., 

“Reinforcement  Learning  in  a  Rule‐Based  Navigator  for  Robotic 

Manipulators”, Neurocomputing, 2001, Vol. 37, pp. 51 – 70. 

[142]  Newell A.,  and  Simon H. A.,  “Human Problem  Solving”,  1972, Prentice 

Hall. 

[143]  Post  E.,  “Formal  Reductions  of  the  General  Combinatorial  Problem”, 

American Journal of Mathematics, 1943, Vol. 65, pp. 197 – 268. 

[144]  Rosenbloom P.S., Laird  J.E., Newell A., and Mc‐Carl R., “A Preliminary 

Analysis  of  the  Soar  Architecture  as  a  Basis  for  General  Intelligence”, 

Artificial Intelligence, 1991, Vol. 47(1‐3), pp. 289 – 525. 

[145]   Anderson J.R., “The Limitations of Rule Based Expert Systems”, Knowledge 

Based Systems in Industry, 1987, Ellis Horwood, pp. 17 – 22. 

Page 298: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

268

[146]  Takagi S., and Okawa Y., “Rule‐based Control of a Mobile Robot  for  the 

Push‐a‐Box  Operation”,  IEEE/RSJ  International  Workshop  on  Intelligent 

Robots and Systems, 1991, pp. 1338 – 1343.  

[147]   Gaeta H., Friedman D., Ritter W., and Hunt G., “Age‐Related Changes in 

Neural Trace Generation of Rule‐Based Auditory Features”, Neurobiology 

of Aging, 2002, Vol. 23(3), pp. 443‐455.  

[148]   Tunstel E., Howard A., and Seraji H., “Rule–based Reasoning and Neural 

Network Perception  for  Safe Off–Road Robot Mobility”, Expert  Systems, 

2002, Vol. 19(4), pp. 191‐200. 

[149]   de Souza M. A. F., and Ferreira M. A. G. V., “Designing Reusable Rule‐

based  Architectures  with  Design  Patterns”,  Expert  Systems  with 

Applications, 2002, Vol. 23(4), pp. 395‐403. 

[150]   Dietrich  J., Kozlenkov A.,    Schroeder M.,  and Wagner G.,  ”Rule‐based 

Agents  for  the  Semantic  Web”,  Electronic  Commerce  Research  and 

Applications, 2003, Vol. 2(4), pp. 323‐338.  

[151]   McIntosh B. S., Muetzelfeldt R. I., Legg C. J., Mazzoleni S., and Csontos P., 

“Reasoning  with  Direction  and  Rate  of  Change  in  Vegetation  State 

Transition  Modeling”,  Environmental  Modelling  &  Software,  2003,  Vol. 

18(10), pp. 915‐927. 

[152]  Pfeiffer. J. J. Jr., “A Rule‐based Visual Language for Small Mobile Robots”, 

IEEE Symposium on Visual Languages, 1997, pp. 164‐165. 

[153]  Pfeiffer.  J.  J.  Jr.,  “Case  Study:  Developing  a  Rule‐Based  Language  for 

Mobile Robots”, IEEE Symposium Visual Languages, 1998, pp. 204 – 209. 

Page 299: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

269

[154]  Pfeiffer. J. J. Jr., “Altaira: A Rule‐based Visual Language for Small Mobile 

Robots”, Journal of Visual Languages and Computing, 1998, Vol. 9 (2), pp. 127 

– 150. 

[155]  Fei J., and Isik C., “Adapting to Environmental Variations in a Rule‐based 

Mobile Robot Controller”,  IEEE  International Conference  on  Systems, Man 

and Cybernetics, 1989, Vol. 1, pp. 332‐333. 

[156]  Gilmore  B.J.,  and  Streit  D.A.,  “A  Rule‐based  Algorithm  to  Predict  the 

Dynamic  Behavior  of  Mechanical  Part  Orienting  Operations”,  IEEE 

International Conference Robotics  and Automation,  1988, Vol.  2,  pp.  1254  – 

1259.  

[157]  Bonner  S.,  and  Kelley  R.B.,  “A  Representation  Scheme  for  Rapid  3D 

Collision Detection”, IEEE International Symposium Intelligent Control, 1988, 

pp. 320 – 325. 

[158]  Bonner  S.,  and  Kelley  R.B.,  “Planning  3‐D  Collision‐Free  Paths”,  IEEE 

International Symposium Intelligent Control, 1989, pp. 550 – 555. 

[159]  Bonner  S.,  and Kelley R. B.,  “A Novel Representation  for Planning  3‐D 

Collision‐Free Paths”,  IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, 

1990, Vol. 20(6), pp. 1337 – 1351. 

[160]   Clementine Software, Version‐5, http://www.spss.com/Clementine/, 2000. 

[161]  Pham D.T.,  and Dimov  S.  S.,  “An Algorithm  for  Incremental  Inductive 

Learning”, Institute of Mechanical Engineers, 1997, Volume 211, Part‐B, pp. 

239‐249. 

[162]   Khatib O., “Real‐Time Obstacle Avoidance  for Manipulators and Mobile 

Robots”, The International Journal of Robotics Research, 1986, Vol. 5(1), pp. 90 

‐ 98.  

Page 300: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

270

[163]   Borenstein  J.,  and  Koren  Y.,  “Real‐Time  Obstacle  Avoidance  for  Fast 

Mobile Robots”,  IEEE  Transactions  on  systems, man  and  cybernetics,  1989, 

Vol. 19(5), pp. 1179 ‐ 1187. 

[164]  Koren, Y., and Borenstein, J., “Potential Field Methods and their Inherent 

Limitations  for  Mobile  Robot  Navigation”,  International  Conference  on 

Robotics and Automation, 1991, Vol. 2, pp. 1398 – 1404. 

[165]   Garibotto G., and Masciangelo S., “Path Planning using the Potential Field 

Approach  for  Navigation”,  Advanced  Robotics,  Robots  in  Unstructured 

Environments, 1991, Vol. 2, pp. 1679‐1682. 

[166]   Kim  J.  O.  and  Khosla  P.  K.,  “Real‐Time  Obstacle  Avoidance  using 

Harmonic  Potential  Functions”,  IEEE  Transaction  on  Robotics  and 

Automation, 1992, Vol. 8(3), pp. 338 ‐ 349. 

[167]   Rimon E., and Koditschek D. K., “Exact Robot Navigation using Artificial 

Potential Functions”,  IEEE Transactions  on Robotics  and Automation,  1992, 

Vol. 8(5), pp. 501‐518. 

[168]   Koditschek  D.  E.,  “Exact  Robot  Navigation  by  Means  of  Potential 

Functions:  Some  Topological  Considerations”,  IEEE  International 

Conference Robotics and Automation, 1987, Vol. 4, pp. 1 – 6. 

[169]   Guldner  J.,  Utkin  V.  I.,  Hashimoto  H.,  and  Harashima  F.,  “Tracking 

Gradients  of  Artificial  Potential  Fields  with  Non‐Holonomic  Mobile 

Robots”,  American Control Conferences, 1995, pp. 2803 ‐2804. 

[170]   Guldner, J., and Utkin V.I., “Sliding Mode Control for Gradient Tracking 

and Robot Navigation using Artificial Potential Fields”, IEEE Transactions 

on Robotics and Automation, 1995, Vol. 11(2), pp. 247 – 254. 

Page 301: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

271

[171]   Al‐Sultan  K.S.,  and  Aliyu  M.D.S.,  “A  New  Potential  Field‐based 

Algorithm  for  Path  Planning”,  Journal  of  Intelligent  and  Robotic 

Systems, 1996, Vol. 17(3), pp. 265 ‐ 282. 

[172]   Yun  X.,  and  Tan  K‐C.,  “A Wall‐Following Method  for  Escaping  Local 

Minima  in  Potential  Field  Based  Motion  Planning”,    International 

Conference on Advanced Robotics, 1997, pp. 421 ‐ 426. 

[173]   Chuang  J‐H.,  and Ahuja N.,  “An Analytically  Tractable  Potential  Field 

Model  of  Free  Space  and  Its Application  in Obstacle Avoidance”,  IEEE 

Transactions  on  Systems, Man,  and  Cybernetics—Part  B:  Cybernetics,  1998, 

Vol. 28(5), pp. 729 ‐ 736. 

[174]   Sekhawat S., and Chyba M., “Nonholonomic Deformation of a Potential 

Field  for Motion Planning”,  IEEE  International Conference  on Robotics  and 

Automation, 1999, pp. 817 ‐ 822. 

[175]   Canny J.F., and Lin M.C., “An Opportunistic Global Path Planner”, IEEE 

International Conference on Robotics and Automation, 1990, Vol. 3, pp. 1554 – 

1559.  

[176]   Liu  C.,  Ang  Jr.  M.H.,  Krishnan  H.,  and  Lim  S.Y.,  “Virtual  Obstacle 

Concept  for  Local‐minimum‐recovery  in  Potential‐field  Based 

Navigation”, IEEE International Conference on Robotics & Automation, 2000, 

pp. 983 ‐ 988. 

[177]   Wang Y., and Chirikjian G. S., “A New Potential Field Method for Robot 

Path Planning”,  IEEE  International Conference  on Robotics  and Automation, 

2000, pp. 977‐982. 

Page 302: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

272

[178]  Ren J., Mcisaac K.A., and Patel R.V., “Modified Newtonʹs Method Applied 

to Potential Field‐Based Navigation for Mobile Robots”, IEEE Transactions 

on Robotics, 2006, Vol. 22 (2), pp. 384 ‐ 391. 

[179]   Xi‐yong Z. and Jing Z., “Virtual Local Target Method for Avoiding Local 

Minimum  in Potential Field Based Robot Navigation”, Journal of Zhejiang 

University SCIENCE, 2003, Vol.‐4(3), pp. 264 ‐ 269. 

[180]  Chengqing  L.,  Ang  Jr  M.  H.,  Krishnan  H.,  and  Yong  L.  S.,  “Virtual 

Obstacle  Concept  for  Local‐minimum‐recovery  in  Potential‐field  Based 

Navigation”,  IEEE  on  International  Conference  on  Robotics  &  Automation, 

2000, pp. 983 – 988. 

[181]  Reid M.B.,  “Path Planning Using Optically Computed Potential Fields”, 

IEEE  International Conference on Robotics and Automation, 1993, Vol. 2, pp. 

295‐300. 

[184]  Im  Kwang‐Young,  Oh  Se‐Young,  and  Han  Seong‐Joo,  “Evolving  a 

Modular Neural Network‐Based Behavioral Fusion Using Extended VFF 

and  Environment  Classification  for  Mobile  Robot  Navigation”,  IEEE 

Transactions on Evolutionary Computation, 2002, Vol. 6(4), pp.  413 – 419. 

[185]  Tsourveloudis  N.  C.,  Valavanis  K.  P.,  and  Hebert  T.,  “Autonomous 

Vehicle  Navigation  Utilizing  Electrostatic  Potential  Fields  and  Fuzzy 

Logic”, IEEE Transactions on Robotics and Automation, 2001, Vol. 17(4), pp. 

490 – 497. 

[186]  Cosio  F. A.,  and Castaineda M. A.  P.,  “Autonomous Robot Navigation 

using  Adaptive  Potential  Fields”, Mathematical  and  Computer Modelling, 

2004, Vol. 40, pp. 1141 ‐ 1156. 

Page 303: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

273

[187]  McFetridge  L.,  and  Ibrahim M.  Y.,  “New  Technique  of Mobile  Robot 

Navigation  using  a Hybrid Adaptive  Fuzzy  potential  Field Approach”, 

Computers & Industrial Engineering, 1998, Vol. 35(3), pp. 471 ‐ 474. 

[188]   Vadakkepat  P.,  Tan K. C.,  and Ming‐Liang W.,  “Evolutionary Artificial 

Potential Fields and their Application in Real Time Robot Path Planning”, 

Congress on Evolutionary Computation, 2000, Vol. 1, pp. 256 – 263. 

[189]   Ratering  S.,  and Gini M.,  “Robot Navigation  in  a Known  Environment 

with Unknown Moving Obstacles”, Autonomous robot, 1995, Vol. 1(2), pp. 

149‐ 165. 

[190]  Zhuang  X., Meng  Q.,  Yin  B.,  and Wang H.,  “Robot  Path  Planning  by 

Artificial Potential Field Optimization Based on Reinforcement Learning 

with Fuzzy Slate”, 4th World Congress on Intelligent Control and Automation,  

pp. 1166‐1170.  

[191]  Kirkpatrick  S.,  Gelatt  C.  D.  Jr.,  and  Vecchi  M.  P.,  “Optimization  by 

Simulated Annealing”, Science, 1983, Vol. 220, (4598), pp. 671 ‐ 681. 

[192]   Carriker W.F., Khosla P., and Krogh B., “The Use of Simulated Annealing 

to  Solve  the  Mobile  Manipulator  Path  Planning  Problem”,  IEEE 

International Conference on Robotics and Automation, 1990, Vol. 1, pp. 204  ‐ 

209. 

[193]   Janabi‐Sharifi F., and Vinke D., “Integration of the Artificial Potential Field 

Approach  with  Simulated  Annealing  for  Robot  Path  Planning”,  IEEE 

International Conference on Intelligent Control, 1993, pp. 536‐541. 

[194]   Janabi‐Sharifi F. and Vinke D., 1993, “Robot Path Planning by Integrating 

the  Artificial  Potential  Field  Approach  with  Simulated  Annealing”, 

Page 304: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

274

International  Conference  on  Systems,  Man  and  Cybernetics,  Systems 

Engineering in the Service of Humans, 1993, Vol. 2, pp. 282 ‐ 287. 

[195]   Park M.G.,  Jeon  J. H.,  and  Lee M. C.,  “Obstacle Avoidance  for Mobile 

Robots  using  Artificial  Potential  Field  Approach  with  Simulated 

Annealing”,  IEEE  International  Symposium  on  Industrial  Electronics,  2001, 

pp. 1530‐1535. 

[196]   Park  M.G.,  and  Lee  M.C.,  “Experimental  Evaluation  of  Robot  Path 

Planning  by  Artificial  Potential  Field  Approach  with  Simulated 

Annealing”, 41st SICE Annual Conference, Vol. 4, 2002, pp. 2190‐ 2195. 

[197]   Park  S.T.,  Yang  S.Y.,  and  Jung  J.H.,  “Real‐time  Lane  Recognition  by 

Simulated Annealing Algorithm”, 4th Korea‐Russia International Symposium 

on Science and Technology, 2000, Vol. 3, pp. 95 – 98. 

[198] Lee  S.,  and Kardaras G.,  “Elastic  String Based Global Path using Neural 

Networks”,  IEEE  International  Symposium  on Computational  Intelligence  in 

Robotics and Automation,1997, pp. 108‐114. 

[199]  Lee  S.,  and  Kardaras  G.,  “Collision‐Free  Path  Planning  with  Neural 

Networks”, IEEE International Conference on Robotics and Automation, 1997, 

pp. 3565 – 3567. 

[200]  Betke M., and Makries N. C., “Fast Object Recognition  in Noisy  Images 

Using Simulated Annealing”,  International Conference  on Computer Vision, 

1995, pp. 523 – 530. 

[201]   Hong D. S., and Cho H. S., “Generation of Robotic Assembly Sequences 

using  a  Simulated  Annealing”,  IEEE/RSJ  International  Conference  on 

Intelligent Robots and systems, 1999, pp. 1247 – 1252.  

Page 305: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

275

[202]  Martinez‐Alfaro  H.,  and  Gomez‐Garcia  Simon,  “Mobile  Robot  Path 

Planning  and  Tracking  using  Simulated  Annealing  and  Fuzzy  Logic 

Control”, Expert Systems with Applications, Vol. 15, 1998, pp. 421–429. 

[203] Lucidarme P., and Liegeois A., “Learning Reactive Neuro controllers using 

Simulated annealing for Mobile Robots”, IEEE/RSJ International Conference 

on Intelligent Robots and Systems, 2003, pp. 674 – 679. 

[204]  Barral  D.,  Perrin  Jean‐Perrin,  Dombre  E.,  and  Liegeois  A.,  “An 

Evolutionary  Simulated  Annealing  Algorithm  for  Optimizing  Robotic 

Task Point Ordering”, IEEE  International Symposium on Assembly and Task 

Planning, 1999, pp. 157 – 162. 

[205]   Kwok D. P., and Sheng F., “Genetic Algorithm and Simulated Annealing 

for Optimal Robot Arm PID Control”, The IEEE Conference on Evolutionary 

Computation, pp. 707 – 713.  

[206]   Skewis  T.,  and  Lumelsky  V.,  “Simulation  of  Sensor‐Based  Robot  and 

Human Motion Planning”, International Journal of Robotics and Automation, 

1993, Vol. 8(4), pp. 153 ‐ 168.  

[207]   Evans  J.,  Krishnamurthy  B.,  Barrows  B.,  Skewis  T.,  and  Lumelsky  V., 

“Handling  Real‐World Motion  Planning, A Hospital  Transport  Robot”, 

IEEE Transactions on Control Systems, 1992, Vol. 12, pp. 15 ‐ 20.  

[208]   Skewis T., and Lumelsky V., “Experiments with a Mobile Robot Operating 

in a Cluttered Unknown Environment”,  Journal of Robotics Systems, 1994, 

Vol. 11(4), pp. 281 ‐ 300.  

[209]   Boem H. R.,  and Cho H.  S.,  “Mobile Robot  Localisation  using  a  Single 

Rotating  Sonar  and  2  Passive Cylindrical  Beacons”,  Robotica,  1995, Vol. 

13(3), pp. 243 ‐ 252.  

Page 306: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

276

[210]  Kleeman  L.,  and  Kuc  R.  “Mobile  Robot  for  Target  Localization  and 

Classification”, International Journal of Robotics Research, 1995, Vol 14(4), pp. 

295‐318.  

[211]   Ko J. H., Kim W. J., and Chung M. I., “A Method for Acoustic Landmark 

Extraction for Mobile Robot Navigation”, IEEE Transactions on Robotics and 

Automation, 1996, Vol. 12(3), pp. 478 ‐ 485.  

[212]   Mallita P., Sirtola J., and Souranta R., “Two‐dimensional Object Detection 

in  Air  Using  Ultrasonic  Transducer  Array  and  Non‐Linear  Digital  L‐

Filter”, Sensors and Actuators A‐Physical, 1996, Vol. 55 (2‐3), pp. 107 ‐ 113.  

[213]   Hong M. L., and Kleeman L., “Ultrasonic Classification and Location of 

3D  Room  Features  using  Maximum  Likelihood  Estimation”,  Robotica, 

1997, Vol. 15(6), pp. 645 ‐ 652.  

[214]   Budenske J., and Gini M., “Sensor explication: Knowledge‐based Robotic 

Plan  Execution  Through  Logical Objects”,  IEEE  Transactions  on  Systems, 

Man and Cybernetics Part B‐Cybernetics, 1997, Vol. 27(4), pp. 611 ‐ 625.  

[215]  Takamura  S.,  Nakamura  T.,  and  Asada  M.,  “Behavior‐Based  Map 

Representation  for  a  Sonar‐Based Mobile Robot by  Statistical Methods”, 

Advanced Robotics, 1997, Vol. 11(5), pp. 445 ‐ 462.  

[216]  Nakamura  T.,  Takamura  S.,  and  Asada  M.,  “Behavior‐based  Map 

Representation  for  f  Sonar Based Mobile Robot  by  Statistical Methods”, 

RSJ/IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems, 1996, pp. 

276 ‐ 283.  

[217]   Nakamura  T.,  Morimoto  M.,  and  Asada  M.,  “Direct  Coupling  of 

Multisensor  Information  and  Actions  for  Mobile  Robot  Behavior 

Page 307: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

277

Acquisition”, IEEE/SICE/RSJ  International Conference on Multisensor Fusion 

and Integration for Intelligent Systems, 1996, pp. 139 ‐ 144.  

[218]  Everett  H.,  and  Flynn  A,.  “A  Programmable  Near‐infrared  Proximity 

Detector  for Mobile  Robot Navigation”,  SPIE  Conference  on Advances  in 

Intelligent Robotics Systems, 1986, Vol.  727, pp. 221 ‐ 230.  

[219]  Yu  H.  H.,  and  Malik  R.,  “AlMY‐An  Autonomous  Mobile  Robot 

Navigation  in  Unknown  Environment with  Infrared  Detector  System”, 

Journal of Intelligent and Robotic Systems, 1995, Vol. 14(2), pp. 181‐197. 

[220]  Kube  C.  R.,  and  Zhang  H.  “Task  Modelling  in  Collective  Robotics”, 

Autonomous Robots, 1997, Vol. 4, pp. 53 ‐ 72.  

[221]  Lumelsky V. J., and Harinarayanan K. R., “Decentralised Motion Planning 

for  Multiple  Mobile  Robots:  The  Cocktail  Party  Model”,  Autonomous 

Robots, 1997, Vol. 4, pp. 121 ‐ 135.  

[222]  Cheung E., and Lumelsky V. J., “Proximity Sensing in Robot Manipulator 

Motion Planning: System and  Implementation  Issues”,  IEEE Transactions 

on Robotics and Automation, 1989, Vol. 5(6), pp. 740 ‐ 751.  

[223]  Vandorpe  J., and Van Brusell H., “A Reflexive Navigation Algorithm for 

an  Autonomous  Mobile  Robot”,  International  Conference  on  Multisensor 

Fusion and Integration for Intelligent System, Las Vegas, NV, 1994, pp. 251 ‐ 

258.  

[224]  Vandorpe  J.,  Brusell  V. H.,  and  Xu H.,  “LIAS: A  Reflexive Navigation 

Architecture for an Intelligent Robot System”, IEEE Transactions, Industrial 

Electronics, 1996, Vol. 43(3), pp. 432 ‐ 440.  

Page 308: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

278

[225]  Borenstein  J.,  Everett  H.  R.,  Feng  L.,  and  Wehe,  D.,  “Mobile  Robot 

Positioning: Sensors and Techniques”, Journal of Robotic Systems, 1997, Vol. 

14(4), pp. 231 ‐ 249.  

[226]  Yagi  Y., Nishizawa  Y.,  and  Yachida M.,  “Map‐based Navigation  for  a 

Mobile  Robot  With  Omnidirectional  Image  Sensor  COPIS”,  IEEE 

Transactions on Robotics and Automation, 1995, Vol. 11(5), pp. 634 ‐ 648.  

[227]  Yagi  Y., Nishizawa  Y.,  and  Yachida M.,  “Estimation  of  Free  Space  for 

Mobile  Robot  Using  Omnidirectional  Image  Sensor  COPIS”,  IEEE/JES 

International Conference,  Industrial  Electronics, Control  and  Instrumentation, 

Kobe, 1991, Vol. 2, pp. 1329 ‐ 1334.  

[228]  Yagi Y., Nishizawa Y., and Yachida M., “Obstacle Avoidance  for Mobile 

Robot  Integrating Omnidirectional  Image  Sensor COPIS  and Ultrasonic 

Sensor”,  2nd  International Conference  on Automation Robotics  and Computer 

Vision, 1992, Vol. 3, pp. 11.7.1 ‐ 11.7.5.  

[229]  Gonzalez  J.,  Stenz  A.  and  Ollero  A.  “A  mobile  robot  iconic  position 

estimator  using  a  radial  laser  scanner”,  Journal  of  Intelligent &  Robotic 

Systems, 1995, Vol. 13(2), pp. 161 ‐ 179.  

[230]  Dicesare  F.,  Harhalakis  G.,  Porth  J.M.,  Silva  M.,  and  Vernadat  F.  B., 

“Practice of Petri Nets in Manufacturing”, Chapman & Hall, 1999. 

[231]  Zhou M., and Dicesare F., “Petri Net Synthesis for Discrete Event Control 

of Manufacturing Systems”, Kluwer Academic Publisher, 1993. 

 

 

 

Page 309: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

279

Published Papers

Papers Published in International Journals:

“Potential  field  method  to  navigate  several  mobile  robots”,  Applied 

Intelligence, (2006), Vol. 25 pages 321 – 333. 

“Neuro‐Fuzzy  Technique  for  Navigation  of  Multiple  Mobile  Robots”, 

Fuzzy Optimization and Decision Making, (2006), Vol. – 5, pages 255 – 288. 

“Navigation  of Multiple Mobile  Robots Using  Rule‐based‐Neuro‐Fuzzy 

Technique”, International Journal of Computational Intelligence, (2006), Vol. – 

3(2), pages 142 – 152. 

“Navigation  Technique  to Control  Several Mobile Robots”,  International 

Journal of Knowledge‐Based and Intelligent Engineering Systems, (2006), Vol. – 

10 (5), Pages 387 ‐ 401. 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 310: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

280

Papers Published in International / National Conferences:

“Fuzzy Control  Technique  for  of Multiple Mobile Robots’ Navigation”, 

AMS‐03, Jadavpur University, Kolkata, 28‐29th March, 2003, Page no.: 415‐

420.    

“Fuzzy Controllers for Navigation of Multiple Mobile Robots”, NCME‐03, 

TITE, Patiala, November, 2003, Pages : 498‐504. 

“Neuro‐Fuzzy  Technique  for  Navigation  of  Multiple  Mobile  Robots”, 

VETOMAC 3 / ACSIM 2004, 6‐9 December 2004, Pages 749‐756. 

“Path  planning  using  rule‐based  approach  for  navigation  of  multiple 

mobile Robots”, N.I.T., Rourkela, ISTAM – 2004, Page No.: 56. 

“Rule base Technique for Navigation of Multiple Mobile Robots”, NCME‐

03, TITE, Patiala, November, 2003, Pages: 432‐438. 

“Potential Field Method for Navigation of Multiple Mobile Robots”, NIT, 

Hamirpur, RDFTME‐2006, Pages 446 – 454. 

“Potential‐Field‐Neuro‐Fuzzy Technique for Navigation of Several Mobile 

Robots”, N.I.T., Rourkela, ETCE‐2005, Pages 73 – 84. 

 

 

 

Page 311: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

281

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 312: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

282

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 313: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

283

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 314: dspace - National Institute of Technology, Rourkelaethesis.nitrkl.ac.in/13/1/thesis-Pradhan.pdf · Navigation Techniques for Control of Multiple Mobile Robots A Thesis Submitted to

284