Terrain-aware autonomous exploration of unstructured confined spaces

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.