Efficient Autonomous Navigation for Planetary Rovers with Limited Resources

Rovers operating on Mars are in need of more and more autonomous features to ful ll their challenging mission requirements. However, the inherent constraints of space systems make the implementation of complex algorithms an expensive and difficult task. In this paper we propose a control architecture for autonomous navigation. Efficient implementations of autonomous features are built on top of the current ExoMars navigation method, enhancing the safety and traversing capabilities of the rover. These features allow the rover to detect and avoid hazards and perform long traverses by following a roughly safe path planned by operators on ground. The control architecture implementing the proposed navigation mode has been tested during a field test campaign on a planetary analogue terrain. The experiments evaluated the proposed approach, autonomously completing two long traverses while avoiding hazards. The approach only relies on the optical Localization Cameras stereobench, a sensor that is found in all rovers launched so far, and potentially allows for computationally inexpensive long-range autonomous navigation in terrains of medium difficulty

Path planning for reconfigurable rovers in planetary exploration

This paper introduces a path planning algorithm that takes into consideration different locomotion modes in a wheeled reconfigurable rover. Such algorithm, based on Fast Marching, calculates the optimal path in terms of power consumption between two positions, providing the most appropriate locomotion mode to be used at each position. Finally, the path planning algorithm is validated on a virtual Martian scene created within the V-REP simulation platform, where a virtual model of a planetary rover prototype is controlled by the same software that is used on the real one. Results of this contribution also demonstrate how the use of two locomotion modes, wheel-walking and normal-driving, can reduce the power consumption for a particular area.Universidad de Málaga. Campus de Excelencia Internacional Andalucía Tech

Space exploration: The interstellar goal and Titan demonstration

Automated interstellar space exploration is reviewed. The Titan demonstration mission is discussed. Remote sensing and automated modeling are considered. Nuclear electric propulsion, main orbiting spacecraft, lander/rover, subsatellites, atmospheric probes, powered air vehicles, and a surface science network comprise mission component concepts. Machine, intelligence in space exploration is discussed

System of Terrain Analysis, Energy Estimation and Path Planning for Planetary Exploration by Robot Teams

NASA’s long term plans involve a return to manned moon missions, and eventually sending humans to mars. The focus of this project is the use of autonomous mobile robotics to enhance these endeavors. This research details the creation of a system of terrain classification, energy of traversal estimation and low cost path planning for teams of inexpensive and potentially expendable robots. The first stage of this project was the creation of a model which estimates the energy requirements of the traversal of varying terrain types for a six wheel rocker-bogie rover. The wheel/soil interaction model uses Shibly’s modified Bekker equations and incorporates a new simplified rocker-bogie model for estimating wheel loads. In all but a single trial the relative energy requirements for each soil type were correctly predicted by the model. A path planner for complete coverage intended to minimize energy consumption was designed and tested. It accepts as input terrain maps detailing the energy consumption required to move to each adjacent location. Exploration is performed via a cost function which determines the robot’s next move. This system was successfully tested for multiple robots by means of a shared exploration map. At peak efficiency, the energy consumed by our path planner was only 56% that used by the best case back and forth coverage pattern. After performing a sensitivity analysis of Shibly’s equations to determine which soil parameters most affected energy consumption, a neural network terrain classifier was designed and tested. The terrain classifier defines all traversable terrain as one of three soil types and then assigns an assumed set of soil parameters. The classifier performed well over all, but had some difficulty distinguishing large rocks from sand. This work presents a system which successfully classifies terrain imagery into one of three soil types, assesses the energy requirements of terrain traversal for these soil types and plans efficient paths of complete coverage for the imaged area. While there are further efforts that can be made in all areas, the work achieves its stated goals

Percepción basada en visión estereoscópica, planificación de trayectorias y estrategias de navegación para exploración robótica autónoma

Tesis inédita de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Informática, Departamento de Ingeniería del Software e Inteligencia artificial, leída el 13-05-2015En esta tesis se trata el desarrollo de una estrategia de navegación autónoma basada en visión artificial para exploración robótica autónoma de superficies planetarias. Se han desarrollado una serie de subsistemas, módulos y software específicos para la investigación desarrollada en este trabajo, ya que la mayoría de las herramientas existentes para este dominio son propiedad de agencias espaciales nacionales, no accesibles a la comunidad científica. Se ha diseñado una arquitectura software modular multi-capa con varios niveles jerárquicos para albergar el conjunto de algoritmos que implementan la estrategia de navegación autónoma y garantizar la portabilidad del software, su reutilización e independencia del hardware. Se incluye también el diseño de un entorno de trabajo destinado a dar soporte al desarrollo de las estrategias de navegación. Éste se basa parcialmente en herramientas de código abierto al alcance de cualquier investigador o institución, con las necesarias adaptaciones y extensiones, e incluye capacidades de simulación 3D, modelos de vehículos robóticos, sensores, y entornos operacionales, emulando superficies planetarias como Marte, para el análisis y validación a nivel funcional de las estrategias de navegación desarrolladas. Este entorno también ofrece capacidades de depuración y monitorización.La presente tesis se compone de dos partes principales. En la primera se aborda el diseño y desarrollo de las capacidades de autonomía de alto nivel de un rover, centrándose en la navegación autónoma, con el soporte de las capacidades de simulación y monitorización del entorno de trabajo previo. Se han llevado a cabo un conjunto de experimentos de campo, con un robot y hardware real, detallándose resultados, tiempo de procesamiento de algoritmos, así como el comportamiento y rendimiento del sistema en general. Como resultado, se ha identificado al sistema de percepción como un componente crucial dentro de la estrategia de navegación y, por tanto, el foco principal de potenciales optimizaciones y mejoras del sistema. Como consecuencia, en la segunda parte de este trabajo, se afronta el problema de la correspondencia en imágenes estéreo y reconstrucción 3D de entornos naturales no estructurados. Se han analizado una serie de algoritmos de correspondencia, procesos de imagen y filtros. Generalmente se asume que las intensidades de puntos correspondientes en imágenes del mismo par estéreo es la misma. Sin embargo, se ha comprobado que esta suposición es a menudo falsa, a pesar de que ambas se adquieren con un sistema de visión compuesto de dos cámaras idénticas. En consecuencia, se propone un sistema experto para la corrección automática de intensidades en pares de imágenes estéreo y reconstrucción 3D del entorno basado en procesos de imagen no aplicados hasta ahora en el campo de la visión estéreo. Éstos son el filtrado homomórfico y la correspondencia de histogramas, que han sido diseñados para corregir intensidades coordinadamente, ajustando una imagen en función de la otra. Los resultados se han podido optimizar adicionalmente gracias al diseño de un proceso de agrupación basado en el principio de continuidad espacial para eliminar falsos positivos y correspondencias erróneas. Se han estudiado los efectos de la aplicación de dichos filtros, en etapas previas y posteriores al proceso de correspondencia, con eficiencia verificada favorablemente. Su aplicación ha permitido la obtención de un mayor número de correspondencias válidas en comparación con los resultados obtenidos sin la aplicación de los mismos, consiguiendo mejoras significativas en los mapas de disparidad y, por lo tanto, en los procesos globales de percepción y reconstrucción 3D.Depto. de Ingeniería de Software e Inteligencia Artificial (ISIA)Fac. de InformáticaTRUEunpu