Symbiotic Navigation in Multi-Robot Systems with Remote Obstacle Knowledge Sharing

Large scale operational areas often require multiple service robots for coverage and task parallelism. In such scenarios, each robot keeps its individual map of the environment and serves specific areas of the map at different times. We propose a knowledge sharing mechanism for multiple robots in which one robot can inform other robots about the changes in map, like path blockage, or new static obstacles, encountered at specific areas of the map. This symbiotic information sharing allows the robots to update remote areas of the map without having to explicitly navigate those areas, and plan efficient paths. A node representation of paths is presented for seamless sharing of blocked path information. The transience of obstacles is modeled to track obstacles which might have been removed. A lazy information update scheme is presented in which only relevant information affecting the current task is updated for efficiency. The advantages of the proposed method for path planning are discussed against traditional method with experimental results in both simulation and real environments

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

Mobile robotics in agricultural operations: A narrative review on planning aspects

The advent of mobile robots in agriculture has signaled a digital transformation with new automation technologies optimize a range of labor-intensive, resources-demanding, and time-consuming agri-field operations. To that end a generally accepted technical lexicon for mobile robots is lacking as pertinent terms are often used interchangeably. This creates confusion among research and practice stakeholders. In addition, a consistent definition of planning attributes in automated agricultural operations is still missing as relevant research is sparse. In this regard, a “narrative” review was adopted (1) to provide the basic terminology over technical aspects of mobile robots used in autonomous operations and (2) assess fundamental planning aspects of mobile robots in agricultural environments. Based on the synthesized evidence from extant studies, seven planning attributes have been included: (i) high-level control-specific attributes, which include reasoning architecture, the world model, and planning level, (ii) operation-specific attributes, which include locomotion–task connection and capacity constraints, and (iii) physical robot-specific attributes, which include vehicle configuration and vehicle kinematics.</jats:p

Autonomous search of real-life environments combining dynamical system-based path planning and unsupervised learning

In recent years, advancements have been made towards the goal of using chaotic coverage path planners for autonomous search and traversal of spaces with limited environmental cues. However, the state of this field is still in its infancy as there has been little experimental work done. Current experimental work has not developed robust methods to satisfactorily address the immediate set of problems a chaotic coverage path planner needs to overcome in order to scan realistic environments within reasonable coverage times. These immediate problems are as follows: (1) an obstacle avoidance technique which generally maintains the kinematic efficiency of the robot's motion, (2) a means to spread chaotic trajectories across the environment (especially crucial for large and/or complex-shaped environments) that need to be covered, and (3) a real-time coverage calculation technique that is accurate and independent of cell size. This paper aims to progress the field by proposing algorithms that address all of these problems by providing techniques for obstacle avoidance, chaotic trajectory dispersal, and accurate coverage calculation. The algorithms produce generally smooth chaotic trajectories and provide high scanning coverage of environments. These algorithms were created within the ROS framework and make up a newly developed chaotic path planning application. The performance of this application was comparable to that of a conventional optimal path planner. The performance tests were carried out in environments of various sizes, shapes, and obstacle densities, both in real-life and Gazebo simulations

Distributed 3D TSDF Manifold Mapping for Multi-Robot Systems

International audienceThis paper presents a new method to perform collaborative real-time dense 3D mapping in a distributed way for a multi-robot system. This method associates a Truncated Signed Distance Function (TSDF) representation with a manifold structure. Each robot owns a private map which is composed of a collection of local TSDF sub-maps called patches that are locally consistent. This private map can be shared to build a public map collecting all the patches created by the robots of the fleet. In order to maintain consistency in the global map, a mechanism of patch alignment and fusion has been added. This work has been integrated in real-time into a mapping stack, which can be used for autonomous navigation in unknown and cluttered environment. Experimental results on a team of wheeled mobile robots are reported to demonstrate the practical interest of the proposed system, in particular for the exploration of unknown areas

Autonomous Navigation for Mobile Robots in Crowded Environments

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

Aerial Remote Sensing in Agriculture: A Practical Approach to Area Coverage and Path Planning for Fleets of Mini Aerial Robots

In this paper, a system that allows applying precision agriculture techniques is described. The application is based on the deployment of a team of unmanned aerial vehicles that are able to take georeferenced pictures in order to create a full map by applying mosaicking procedures for postprocessing. The main contribution of this work is practical experimentation with an integrated tool. Contributions in different fields are also reported. Among them is a new one-phase automatic task partitioning manager, which is based on negotiation among the aerial vehicles, considering their state and capabilities. Once the individual tasks are assigned, an optimal path planning algorithm is in charge of determining the best path for each vehicle to follow. Also, a robust flight control based on the use of a control law that improves the maneuverability of the quadrotors has been designed. A set of field tests was performed in order to analyze all the capabilities of the system, from task negotiations to final performance. These experiments also allowed testing control robustness under different weather conditions