Planning and Navigation in Dynamic Environments for Mobile Robots and Micro Aerial Vehicles

Reliable and robust navigation planning and obstacle avoidance is key for the autonomous operation of mobile robots. In contrast to stationary industrial robots that often operate in controlled spaces, planning for mobile robots has to take changing environments and uncertainties into account during plan execution. In this thesis, planning and obstacle avoidance techniques are proposed for a variety of ground and aerial robots. Common to most of the presented approaches is the exploitation of the nature of the underlying problem to achieve short planning times by using multiresolution or hierarchical approaches. Short planning times allow for continuous and fast replanning to take the uncertainty in the environment and robot motion execution into account. The proposed approaches are evaluated in simulation and real-world experiments. The first part of this thesis addresses planning for mobile ground robots. One contribution is an approach to grasp and object removal planning to pick objects from a transport box with a mobile manipulation robot. In a multistage process, infeasible grasps are pruned in offline and online processing steps. Collision-free endeffector trajectories are planned to the remaining grasps until a valid removal trajectory can be found. An object-centric local multiresolution representation accelerates trajectory planning. The mobile manipulation components are evaluated in an integrated mobile bin-picking system. Local multiresolution planning is employed for path planning for humanoid soccer robots as well. The used Nao robot is equipped with only relatively low computing power. A resource-efficient path planner including the anticipated movements of opponents on the field is developed as part of this thesis. In soccer games an important subproblem is to reach a position behind the ball to dribble or kick it towards the goal. By the assumption that the opponents have the same intention, an explicit representation of their movements is possible. This leads to paths that facilitate the robot to reach its target position with a higher probability without being disturbed by the other robot. The evaluation for the planner is performed in a physics-based soccer simulation. The second part of this thesis covers planning and obstacle avoidance for micro aerial vehicles (MAVs), in particular multirotors. To reduce the planning complexity, the planning problem is split into a hierarchy of planners running on different levels of abstraction, i.e., from abstract to detailed environment descriptions and from coarse to fine plans. A complete planning hierarchy for MAVs is presented, from mission planners for multiple application domains to low-level obstacle avoidance. Missions planned on the top layer are executed by means of coupled allocentric and egocentric path planning. Planning is accelerated by global and local multiresolution representations. The planners can take multiple objectives into account in addition to obstacle costs and path length, e.g., sensor constraints. The path planners are supplemented by trajectory optimization to achieve dynamically feasible trajectories that can be executed by the underlying controller at higher velocities. With the initialization techniques presented in this thesis, the convergence of the optimization problem is expedited. Furthermore, frequent reoptimization of the initial trajectory allows for the reaction to changes in the environment without planning and optimizing a complete new trajectory. Fast, reactive obstacle avoidance based on artificial potential fields acts as a safety layer in the presented hierarchy. The obstacle avoidance layer employs egocentric sensor data and can operate at the data acquisition frequency of up to 40 Hz. It can slow-down and stop the MAVs in front of obstacles as well as avoid approaching dynamic obstacles. We evaluate our planning and navigation hierarchy in simulation and with a variety of MAVs in real-world applications, especially outdoor mapping missions, chimney and building inspection, and automated stocktaking.Planung und Navigation in dynamischen Umgebungen für mobile Roboter und Multikopter Zuverlässige und sichere Navigationsplanung und Hindernisvermeidung ist ein wichtiger Baustein für den autonomen Einsatz mobiler Roboter. Im Gegensatz zu klassischen Industrierobotern, die in der Regel in abgetrennten, kontrollierten Bereichen betrieben werden, ist es in der mobilen Robotik unerlässlich, Änderungen in der Umgebung und die Unsicherheit bei der Aktionsausführung zu berücksichtigen. Im Rahmen dieser Dissertation werden Verfahren zur Planung und Hindernisvermeidung für eine Reihe unterschiedlicher Boden- und Flugroboter entwickelt und vorgestellt. Den meisten beschriebenen Ansätzen ist gemein, dass die Struktur der zu lösenden Probleme ausgenutzt wird, um Planungsprozesse zu beschleunigen. Häufig ist es möglich, mit abnehmender Genauigkeit zu planen desto weiter eine Aktion in der Zeit oder im Ort entfernt ist. Dieser Ansatz wird lokale Multiresolution genannt. In anderen Fällen ist eine Zerlegung des Problems in Schichten unterschiedlicher Genauigkeit möglich. Die damit zu erreichende Beschleunigung der Planung ermöglicht ein häufiges Neuplanen und somit die Reaktion auf Änderungen in der Umgebung und Abweichungen bei den ausgeführten Aktionen. Zur Evaluation der vorgestellten Ansätze werden Experimente sowohl in der Simulation als auch mit Robotern durchgeführt. Der erste Teil dieser Dissertation behandelt Planungsmethoden für mobile Bodenroboter. Um Objekte mit einem mobilen Roboter aus einer Transportkiste zu greifen und zur Weiterverarbeitung zu einem Arbeitsplatz zu liefern, wurde ein System zur Planung möglicher Greifposen und hindernisfreier Endeffektorbahnen entwickelt. In einem mehrstufigen Prozess werden mögliche Griffe an bekannten Objekten erst in mehreren Vorverarbeitungsschritten (offline) und anschließend, passend zu den erfassten Objekten, online identifiziert. Zu den verbleibenden möglichen Griffen werden Endeffektorbahnen geplant und, bei Erfolg, ausgeführt. Die Greif- und Bahnplanung wird durch eine objektzentrische lokale Multiresolutionskarte beschleunigt. Die Einzelkomponenten werden in einem prototypischen Gesamtsystem evaluiert. Eine weitere Anwendung für die lokale Multiresolutionsplanung ist die Pfadplanung für humanoide Fußballroboter. Zum Einsatz kommen Nao-Roboter, die nur über eine sehr eingeschränkte Rechenleistung verfügen. Durch die Reduktion der Planungskomplexität mit Hilfe der lokalen Multiresolution, wurde die Entwicklung eines Planers ermöglicht, der zusätzlich zur aktuellen Hindernisfreiheit die Bewegung der Gegenspieler auf dem Feld berücksichtigt. Hierbei liegt der Fokus auf einem wichtigen Teilproblem, dem Erreichen einer guten Schussposition hinter dem Ball. Die Tatsache, dass die Gegenspieler vergleichbare Ziele verfolgen, ermöglicht es, Annahmen über mögliche Laufwege zu treffen. Dadurch ist die Planung von Pfaden möglich, die das Risiko, durch einen Gegenspieler passiv geblockt zu werden, reduzieren, so dass die Schussposition schneller erreicht wird. Dieser Teil der Arbeit wird in einer physikalischen Fußballsimulation evaluiert. Im zweiten Teil dieser Dissertation werden Methoden zur Planung und Hindernisvermeidung von Multikoptern behandelt. Um die Planungskomplexität zu reduzieren, wird das zu lösenden Planungsproblem hierarchisch zerlegt und durch verschiedene Planungsebenen verarbeitet. Dabei haben höhere Planungsebenen eine abstraktere Weltsicht und werden mit niedriger Frequenz ausgeführt, zum Beispiel die Missionsplanung. Niedrigere Ebenen haben eine Weltsicht, die mehr den Sensordaten entspricht und werden mit höherer Frequenz ausgeführt. Die Granularität der resultierenden Pläne verfeinert sich hierbei auf niedrigeren Ebenen. Im Rahmen dieser Dissertation wurde eine komplette Planungshierarchie für Multikopter entwickelt, von Missionsplanern für verschiedene Anwendungsgebiete bis zu schneller Hindernisvermeidung. Pfade zur Ausführung geplanter Missionen werden durch zwei gekoppelte Planungsebenen erstellt, erst allozentrisch, und dann egozentrisch verfeinert. Hierbei werden ebenfalls globale und lokale Multiresolutionsrepräsentationen zur Beschleunigung der Planung eingesetzt. Zusätzlich zur Hindernisfreiheit und Länge der Pfade können auf diesen Planungsebenen weitere Zielfunktionen berücksichtigt werden, wie zum Beispiel die Berücksichtigung von Sensorcharakteristika. Ergänzt werden die Planungsebenen durch die Optimierung von Flugbahnen. Diese Flugbahnen berücksichtigen eine angenäherte Flugdynamik und erlauben damit ein schnelleres Verfolgen der optimierten Pfade. Um eine schnelle Konvergenz des Optimierungsproblems zu erreichen, wurde in dieser Arbeit ein Verfahren zur Initialisierung entwickelt. Des Weiteren kommen Methoden zur schnellen Verfeinerung des Optimierungsergebnisses bei Änderungen im Weltzustand zum Einsatz, diese ermöglichen die Reaktion auf neue Hindernisse oder Abweichungen von der Flugbahn, ohne eine komplette Flugbahn neu zu planen und zu optimieren. Die Sicherheit des durch die Planungs- und Optimierungsebenen erstellten Pfades wird durch eine schnelle, reaktive Hindernisvermeidung gewährleistet. Das Hindernisvermeidungsmodul basiert auf der Methode der künstlichen Potentialfelder. Durch die Verwendung dieser schnellen Methode kombiniert mit der Verwendung von nicht oder nur über kurze Zeiträume aggregierte Sensordaten, ermöglicht die Reaktion auf unbekannte Hindernisse, kurz nachdem diese von den Sensoren wahrgenommen wurden. Dabei kann der Multikopter abgebremst oder gestoppt werden, und sich von nähernden Hindernissen entfernen. Die Komponenten der Planungs- und Hindernisvermeidungshierarchie werden sowohl in der Simulation evaluiert, als auch in integrierten Gesamtsystemen mit verschiedenen Multikoptern in realen Anwendungen. Dies sind insbesondere die Kartierung von Innen- und Außenbereichen, die Inspektion von Gebäuden und Schornsteinen sowie die automatisierte Inventur von Lägern

La projection d'usage des TICs : la composition de fictions axiomatiques au service de la recherche technologique

Innovation is today a major and strategic asset for organisations that compete in a hypercompetitive world (D'Avenir & Gunther, 1994). They are trying to face these new challenges, by using a diversity of “expert systems” typical of our « advanced modernity » (Giddens, 1990). Amongst those, boosting R&D activities is major inputs that demand the use of different expertises. Speculative researches for innovation are one of them. They take place in the “Fuzzy Front End” of innovation, a place where the construction of the social reality of invention is made : its usage, or to be more precise, its projection. Our thesis examines these knowledge-producing technologies and tries to make understable the policies at work, the performance of embedded collectives on the innovation itself, and on themselves, and the arrangements made during this process. Our work in the Grenoble industrial area and collaboration with the CEA-LETI helped us to propose an understanding of these projections as compositions of axiomatic fictions for technological research. Analysing the concept of usage, we highlight its careers and the mutation of associated practices. Interrogating one form of projection, the scenario, we show the links that lie between fiction and perfomativity. By leaning on the project mutating components, we demonstrate the axiomatic character of the projection, understood as a form of answer made to a social demand that comes from different places, and whose necessity of actionnable knowledge is solved by composing with moving data.L'« hypercompétitivité » (D'Avenir & Gunther, 1994) qui caractérise notre environnement économique contemporain fait de l'innovation une préoccupation stratégique pour les organisations. Celles-ci tentent de répondre à cette injonction par le recours à une multitude de « systèmes experts », caractéristique de la « modernité avancée » (Giddens, 1990). Parmi ceux-ci, la stimulation des activités de R&D est reconnue comme une contribution majeure qui nécessite l'utilisation croissante de champs d'expertises variés. C'est dans ce contexte que les sciences sociales sont mobilisées comme forme d'expertise contributives des « recherches spéculatives pour l'innovation » (Stewart & Claeys, 2009). Ces recherches interviennent en amont de processus d'innovation, en un lieu nommé « Fuzzy Front End » (Smith & Reinertsen, 1995), lieu dans lequel se forge la construction de la réalité sociale de l'invention : son usage ou plutôt sa projection. Notre thèse s'interroge sur ces technologies de production de connaissances que sont les projections d'usage et ambitionne de rendre intelligibles les politiques qu'elles mettent en oeuvre, la performance des collectifs mobilisés sur les recherches et sur eux-mêmes ainsi que les arrangements déployés par les acteurs durant ces processus. Notre immersion dans le tissu industriel grenoblois, et en particulier dans l'environnement du CEA-LETI, nous a permis de proposer une lecture des projections d'usage comme des compositions de fictions axiomatiques au service de la recherche technologique. En scrutant le concept d'usage, nous mettons en lumière les carrières empruntées par celui-ci et les mutations des pratiques associées. En interrogeant l'une des formes de la projection d'usage, le scénario, nous mettons en évidence les liens entre performativité et recours à la fiction. En interrogeant les mutations des composantes du projet, nous démontrons le caractère axiomatique des projections, en tant que forme de réponse à une demande sociale qui émane de plusieurs endroits et dont l'exigence de production de savoirs actionnables nécessite de composer avec des données en mouvement

Intelligent Sensor Networks

In the last decade, wireless or wired sensor networks have attracted much attention. However, most designs target general sensor network issues including protocol stack (routing, MAC, etc.) and security issues. This book focuses on the close integration of sensing, networking, and smart signal processing via machine learning. Based on their world-class research, the authors present the fundamentals of intelligent sensor networks. They cover sensing and sampling, distributed signal processing, and intelligent signal learning. In addition, they present cutting-edge research results from leading experts

Combining Perception and Knowledge for Service Robotics

As the deployment of robots is shifting away from the industrial settings towards public and private sectors, the robots will have to get equipped with enough knowl- edge that will let them perceive, comprehend and act skillfully in their new work- ing environments. Unlike having a large degree of controlled environment variables characteristic for e.g. assembly lines, the robots active in shopping stores, museums or households will have to perform open-ended tasks and thus react to unforeseen events, self-monitor their activities, detect failures, recover from them and also learn and continuously update their knowledge. In this thesis we present a set of tools and algorithms for acquisition, interpreta- tion and reasoning about the environment models which enable the robots to act flexibly and skillfully in the afore mentioned environments. In particular our contri- butions beyond the state-of-the-art cover following four topics: a) semantic object maps which are the symbolic representations of indoor environments that robot can query for information, b) two algorithms for interactive segmentation of objects of daily use which enable the robots to recognise and grasp objects more robustly, c) an image point feature-based system for large scale object recognition, and finally, d) a system that combines statistical and logical knowledge for household domains and is able to answer queries such as Which objects are currently missing on a breakfast table? . Common to all contributions is that they are all knowledge-enabled in that they either use robot knowledge bases or ground knowledge structures into the robot s internal structures such as perception streams. Further, in all four cases we exploit the tight interplay between the robot s perceptual, reasoning and action skills which we believe is the key enabler for robots to act in unstructured environments. Most of the theoretical contributions of this thesis have also been implemented on TUM-James and TUM-Rosie robots and demonstrated to the spectators by having them perform various household chores. With those demonstrations we thoroughly validated the properties of the developed systems and showed the impossibility of having such tasks implemented without a knowledge-enabled backbone