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Robuste und ressourcenschonende kooperative Exploration und Kartierung mit homogenen autonomen Roboterteams

  • In dieser Arbeit sollen Möglichkeiten untersucht werden, um eine möglichst robuste und ressourcenschonende Methode für homogene autonome Roboterteams um eine gemeinsame Exploration und Kartierung einer unbekannten Umgebung durchzuführen. Zu diesem Zweck soll eine koordinierte Exploration durchgeführt werden, durch die die zeitliche Effizienz des Roboterteams gesteigert werden kann. Dadurch kann unter geringerem Aufwand und in weniger Zeit eine globale Karte einer unbekannten Umgebung erstellt werden, mit der alle beteiligten Roboter für zukünftige Aufträge arbeiten können. Um dies zu erreichen wurden verschiedene Map-Merging Methoden untersucht, von denen eine auf Feature Detection basierende Verfahren für eine verteilte, robuste und ressourcenschonende Vorgehensweise ausgewählt wurde. Nachdem zwei oder mehr Karten erfolgreich fusioniert werden, kann eine koordinierte Exploration mit den Robotern, die mit der geteilten Karte arbeiten können durchgeführt werden. Für die gemeinsame Exploration werden auf dem implementierten Kartenserver nach allen Frontiers gesucht, die in der Karte vorhanden sind. Diese werden gemeinsam mit den derzeitigen Explorationszielen der anderen Roboter kombiniert und dem Roboter, der gerade versucht ein neues Explorationsziel zu wählen mitgeteilt. Dadurch können alle Roboter selbständig und unabhängig voneinander mit den Informationen der anderen Roboter arbeiten. Durch den Umstand, dass die Roboter die Wahl des Explorationsziels und die Pfadplanung selbstständig durchführen können, funktioniert das Roboterteam auch weiter, falls die Kommunikation zu den anderen Robotern abgebrochen wird. Wenn ein Roboter, der die Kommunkationsmöglichkeit mit dem Kartenserver verloren hat die Kommunikation wiederherstellen kann, können die in der Zwischenzeit gesammelten Daten des Roboters normal für das gesamte System weiter verwendet werden und der Roboter kann die Exploration koordiniert mit den anderen Robotern fortsetzen. Zusätzlich können von dem Kartenserver zusätzliche Informationen angefordert werden, die bei der Entscheidung über das nächste Explorationsziel des Roboters hilfreich sein können. Sollte die Kommunikation nicht wiederhergestellt werden können, wird die Exploration von jedem Roboter individuell und ohne Koordinierung fortgesetzt. Eine Kommunikation mit dem Kartenserver findet nur dann statt, wenn ein Roboter ein neues Explorationsziel benötigt. Dadurch ist die Netzwerkbelastung für die Koordinierung und die Kartenfusionen minimal und alle Roboter können unabhängig von den aufwändigen Berechnungen, die auf dem Kartenserver durchgeführt werden müssen weiter ihrer Aufgabe nachgehen.
  • In this thesis, possibilities to perform a robust and resource-efficient method for homogenous autonomous robot teams for cooperative exploration and mapping of an unknown area are investigated. For this purpose, a cooperative exploration is performed to increase the efficiency for the task of mapping an area. This allows a global map of an unknown environment to be created with less effort and also in less time. The created global map can then be used by all involved robots for future tasks in the same area. To achieve this goal, various different map merging methods were examined, of which a feature detection-based procedure was selected for a distributed, robust and resource-efficient approach. After two or more maps are successfully merged, coordinated exploration can be performed with the robots that can work with the shared map. For the joint exploration, all frontiers that are present in the map are searched on the map server, which was implemented for this thesis. These are combined with the current exploration goals of the other robots and sent to the robot that is currently trying to select a new exploration goal. This allows all robots to work individually by themselves as well as independently of all other robots of the team with the information gathered by the others. Due to the fact that the robots can carry out the choice of the exploration goal and the path planning independently, the robot team continues to function if the communication with the other robots is interrupted. Furthermore, additional information can be requested from the map server, which can be helpful in deciding the next exploration goal of the robot. If a robot that lost communication with the server recovers communication, the data of the robot can still be used and the robot can just continue with the cooperative exploration without it causing a problem for the whole team. In the case that a robot can not re-establish communication with the server, each robot continues exploration individually and without coordination. Communication with the map server only takes place when a robot needs a new exploration goal. As a result, the network load for coordination and map merging is minimal and all robots can continue to perform their tasks regardless of the complex calculations that have to be performed on the map server.

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Metadaten
Author:David Hutter
DOI:https://doi.org/10.25924/opus-3756
Title Additional (English):Robust and resource-efficient cooperative exploration and mapping using homogeneous autonomous robot teams
Advisor:Hans-Joachim Vollbrecht
Document Type:Master's Thesis
Language:German
Year of publication:2020
Publishing Institution:FH Vorarlberg
Granting Institution:FH Vorarlberg
Release Date:2020/11/09
Number og pages:74
DDC classes:000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft / 000 Allgemeines, Wissenschaft / 004 Informatik
Open Access?:ja
Course of Studies:Informatik
Licence (German):License LogoUrhG - The Austrian Copyright Act applies - Es gilt das österr. Urheberrechtsgesetz