Πλοήγηση και συνεργατική χαρτογράφηση ομάδας κινούμενων ρομπότ

Abstract

Navigation and collaborative mapping of a team of mobile robots is the subject of this dissertation. Navigation is a basic component that needs to be dealt with for the mobile robots in order to execute autonomously the multitude of the tasks that are assigned to. Given an area of interest, an initial position and a final target position for a robot, a path must be found that satisfies the kinematic constraints initially imposed by the environment, and then the dynamic constraints due to the robot model and the constraints in the system input. Initially, in the dissertation, the navigation in known environments was studied. The problem was decomposed in two parts, finding the path initially and then the extraction of the trajectory from it. For the path planning, artificial potential fields (in the case of the planar environment) and navigation functions (in the case of a 2D surface) were used. For the trajectory extraction, the method was based upon Bèzier curves. In the sequel, the focus was shifted towards unknown planar environments. In this case, the robot has a range sensor for the construction for the area map. Given the mapping, a switching navigation function is developed, where initially the exploration of the area towards the discovery of the target position is performed, relying on frontier based exploration. If the target is discovered, then the navigation function switches to guide it towards it. Initially a limited ranged circular sensing pattern was assumed, with a simple kinematic model for the robot and perfect knowledge of the robot position. Afterwards this method was improved for a circular sector sensing pattern, a more complete robot model, and the introduction of the pose uncertainty. Lastly the transition to a team of mobile robots occurred. By preserving the basic principle of the method that was developed for unknown environments, the collaborative mapping and creation of a global map from the team was introduced as a concept in order to improve the motion towards the individual target that was assigned for each member, with the transition to a switching frontier cost function.

Η παρούσα διατριβή έχει ως θέμα την πλοήγηση και συνεργατική χαρτογράφηση ομάδας κινούμενων ρομπότ. Η πλοήγηση είναι ένα βασικό προς επίλυση θέμα στο πεδίο της αυτονομίας των ρομποτικών οχημάτων και στην πλειάδα των εφαρμογών που αυτά πρέπει να φέρουν εις πέρας. Δεδομένης μιας περιοχής ενδιαφέροντος, μιας αρχικής θέσης και μιας τελικής θέσης - στόχου για ένα κινούμενο ρομπότ, ζητείται να βρεθεί ένα μονοπάτι που να εκπληρώνει κατ’ αρχήν τους κινηματικούς περιορισμούς που επιβάλλονται από το περιβάλλον, και στην συνέχεια τους δυναμικούς περιορισμούς που οφείλονται στο μοντέλο του ρομπότ και στους περιορισμούς των εισόδων του. Αρχικά, στη διατριβή έγινε μελέτη του προβλήματος πλοήγησης σε γνωστά περιβάλλοντα. Το πρόβλημα διασπάστηκε σε δύο μέρη, όπου το πρώτο αφορούσε την εύρεση του μονοπατιού και το δεύτερο τον σχεδιασμό της τροχιάς με βάση το ευρεθέν μονοπάτι. Ο σχεδιασμός του μονοπατιού βασίστηκε στις μεθόδους των τεχνητών δυναμικών πεδίων (στην περίπτωση επίπεδου περιβάλλοντος), και των συναρτήσεων πλοήγησης (στην περίπτωση δισδιάστατης επιφάνειας). Ο σχεδιασμός της τροχιάς βασίστηκε στις καμπύλες Bèzier. Στην συνέχεια η έρευνα εστιάσθηκε για άγνωστα επίπεδα περιβάλλοντα. Στην περίπτωση αυτή, το αυτόνομο ρομπότ έχει έναν αισθητήρα απόστασης για την κατασκευή του χάρτη της περιοχής. Δεδομένου του χάρτη, δομείται μια διακοπτική συνάρτηση, όπου αρχικά γίνεται η εξερεύνηση της περιοχής με σκοπό την ανακάλυψη της θέσης – στόχου με βασικό άξονα την λογική εξερεύνησης συνόρου. Αν ο στόχος ανακαλυφθεί τότε η συνάρτηση πλοήγησης αλλάζει για να το οδηγήσει προς αυτό. Σε πρώτη φάση είχε υποτεθεί μοτίβο αίσθησης κυκλικού δίσκου περιορισμένης εμβέλειας, με απλό κινηματικό μοντέλο ρομπότ και τέλεια γνώση της θέσης του ρομπότ. Στην συνέχεια, έγινε εξέλιξη της μεθόδου για μοτίβο αίσθησης κυκλικού τομέα, πληρέστερο μοντέλο ρομπότ, καθώς και αβεβαιότητα στην θέση και τον προσανατολισμό αυτού. Τέλος, η έρευνα επεκτάθηκε σε μια ομάδα κινούμενων ρομπότ. Διατηρώντας αναλλοίωτη την βασική λογική της μεθόδου που αναπτύχθηκε για άγνωστα περιβάλλοντα, η συνεργατική χαρτογράφηση και η δημιουργία καθολικού χάρτη από την ομάδα εισάχθηκε ως έννοια, ώστε να βελτιωθεί η κίνηση προς τον στόχο που έχει ανατεθεί σε κάθε μέλος της ομάδας, μέσω της μετάβασης σε μια διακοπτική συνάρτηση επιλογής συνόρου.