Terrain-aware autonomous exploration of unstructured confined spaces
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Exploração autônoma de espaços confinados não estruturados com terrenos irregulares
Exploración autónoma de espacios confinados no estructurados con terreno irregular
Exploración autónoma de espacios confinados no estructurados con terreno irregular
Primeiro orientador
Membros da banca
Luiz Chaimowicz
Gustavo Medeiros Freitas
Gustavo Pessin
Denis Fernando Wolf
Gustavo Medeiros Freitas
Gustavo Pessin
Denis Fernando Wolf
Resumo
This dissertation addresses the problem of exploring confined environments autonomously using terrestrial mobile robots. Here we propose a methodology for path planning in rough three-dimensional terrains and two exploration techniques that use the map's navigable areas, the related navigation cost, and the information expected from a frontier to select the next exploration sector. The presented pipelines are built over a representation of the environment based on three-dimensional meshes and raw point clouds. The reconstructed meshes are converted into traversable graphs, and the dangerous or untraversable regions are filtered considering the expected pose of the robot at the time of planning. The generation of the most promising paths uses a linear combination of weights applied to multiple traversability metrics of the terrain, such as distance, roughness, and energy consumption of the robot. The proposed exploration method uses the expected volumetric information of frontiers after visitation; this way, the exploration areas are selected according to their expected utility and visit cost, considering the terrain's topography. We also propose an online planning phase using the raw point cloud to avoid obstacles in dynamic environments. The online phase is faster to compute and uses an RRT algorithm biased towards the most informative frontier, which is capable of planning and selecting a target frontier without specifying a hardcoded utility metric. The algorithms were validated in representative simulated and real environments, proving the viability of the proposed methodologies.
Abstract
Esta tese aborda o problema de explorar ambientes confinados de forma autônoma usando robôs móveis terrestres. Aqui propomos um método de planejamento de caminhos em terrenos tridimensionais acidentados e duas técnicas de exploração que utilizam as áreas navegáveis do mapa, o custo de navegação relacionado e as informações esperadas de uma fronteira para selecionar o próximo setor de exploração. Os pipelines apresentados são construídos sobre uma representação do ambiente baseada em meshes tridimensionais e nuvens de pontos. Os meshes reconstruídos são convertidos em grafos de traversabilidade, e as regiões perigosas ou não transitáveis são filtradas considerando a pose esperada do robô no momento do planejamento. A geração dos caminhos mais promissores utiliza uma combinação linear de pesos aplicados a múltiplas métricas de atravessabilidade do terreno, como distância, rugosidade e consumo de energia do robô. O método de exploração proposto utiliza as informações volumétricas esperadas das fronteiras após simular a sua visitação; desta forma, as áreas de exploração são selecionadas de acordo com sua utilidade esperada (ganho de informação) e custo de visita, considerando a topografia do terreno. Também propomos um método de planejamento online usando diretamente a nuvem de pontos capaz de desviar de obstáculos em ambientes dinâmicos. A fase online é mais rápida para calcular e usa um algoritmo RRT com viés para as fronteiras mais informativas, sendo capaz de planejar e selecionar uma fronteira de destino sem especificar uma métrica de utilidade determinística. Os algoritmos foram validados em ambientes representativos simulados e reais, comprovando a viabilidade das metodologias propostas.
Assunto
Computação – Teses, Robótica móvel – Teses, Planejamento em ambientes 3D – Teses, Exploração em espaços confinados – Teses
Palavras-chave
Mobile Robotics, Exploration, Path planning in 3D environments, Confined Spaces, Industrial Robotics, Robótica Movel, Planejamento em ambientes 3D, Exploração em espaços confinados, Robótica industrial