هدایت، ناوبری و کنترل ربات سیار چرخ¬دار در یک محیط دینامیکی با تکیه بر الگوریتم¬های SLAM، مطالعه نظری و پیاده¬سازی عملی

STUDENT

DEGREE

YEAR

In this thesis a known two-layered architecture has been used for a planar navigation of a mobile robot in an unknown static or dynamic environment based on an online produced map using SLAM algorithms. As a brief definition, navigation is the science of using information, knowledge and resources to guide a robot or vehicle toward a target and the way it reaches the target. Accordingly a mobile robot which is equipped by guidance and navigation system is called an autonomous mobile robot. Two decisive factor in determining autonomy level of a mobile robot are the robot task sensitivity and degrees of uncertainty in robot and environment. This means as the robot task sensitivity and uncertainty level increases, it requires a higher level of autonomy. Undoubtedly, an autonomous mobile robot in unknown environment is exposed to considerable uncertainties. In this issue, there are three main problems include localization, mapping and motion planning. In many cases, the mobile robot has to solve these problem simultaneously. SLAM problem involves finding a proper description of the environment as a map which robot knows its pose on it. A new set of autonomous mobile robots which address all three problems are called SPLAM or simultaneous planning, localization and mapping. In this way, path planning based on online produced map and enabling the robot to learn the robot pose and environment are considered. The main concern in this procedure is the accurate localization. Probabilistic robotics is a field to consider uncertainties in robot perception and manipulation and solves localization, mapping and SLAM problems. The key idea in this category is to represent uncertainties using probability theory. Kalman filter, extended kalman filter and paricle filter are three state estimators which are used widely to estimate robot and environment states. However, using particle filter in complex environment with different obstacles due to its low computational cost and its capability to take nongaussian distribution into account, has increased in recent years. In order to complete autonomous navigation loop, motion planning is considered to find free space in a grid based map and to avoid unknown or dynamic obstacles. Necessary features for a proper path planning method selection consists of optimality, safety and compatibility with implementation of online navigation. By increasing of the use of grid based maps, one of the conventional methods which has been implemented widely, is the search based planning based on graph. The three most important algorithms in this method are Dijkstra, A* and D* Lite. In this thesis A* algorithm has been used. Dynamic window approach as a collision avoidance block considers robot velocity and acceleration constraints, approximates robot path with circular arcs, builds window in velocity space and chooses velocity command based on cost function. A grid based map version of this method has been used. On the other hand, a remapping process to build a costmap in order to record dynamic obstacles is considered. Finally a practical implementation has been done and the results are presented. Keywords: Guidance and Navigation, Autonomous Mobile Robot, Uncertainty, Particle Filter, Simultaneous Localization and Mapping, A* Algorithm, Dynamic Window Approach

: در این پروژه یک معماری دولایه ای پرکاربرد به منظور ناوبری صفحه ای یک ربات سیار چرخ دار در یک محیط ناشناخته استاتیکی یا دینامیکی مبتنی بر یک نقشه برخط تولید شده توسط الگوریتم های SLAM پیاده سازی شده است. به عنوان یک تعریف کوتاه، ناوبری علم بکارگیری اطلاعات، دانش و امکانات جهت هدایت ربات و چگونگی رساندن آن به نقطه هدف است. بر این اساس ربات سیار مجهز به سیستم هدایت و ناوبری را ربات سیار خودمختار گویند. دو عامل تعیین کننده در تعیین سطح خودمختاری ربات سیار را می توان حساسیت وظیفه ربات و درجه نامعینی ربات و محیط دانست. به این معنا که هرچقدر وظیفه ربات حساس تر و نامعینی آن بیشتر باشد، نیاز به سطح بالاتری از خودمختاری است. به طور کلی منابع ایجادکننده نامعینی در ربات سیار را می توان در 5 عامل محیط، حسگرها، ساخت ربات، مدل ریاضی و محاسبات دانست. بدون شک ربات سیار خودمختاری که در محیط ناشناخته به انجام وظیفه می پردازد دارای نامعینی قابل توجهی است. در این میان سه مسئله مهم شامل مکان یابی، تهیه نقشه و برنامه ریزی حرکت می باشد. در بسیاری از موارد، ربات سیار مجبور به حل مسائل ذکر شده به صورت همزمان است. مسئله SLAM شامل یافتن توصیف مناسبی از محیط به صورت نقشه و یافتن مکان خود در آن است. دسته جدیدی از سیستم های هدایت و ناوبری که به هر سه مسئله به صورت همزمان پرداخته و پیاده سازی آن هدف این پایان نامه است، سیستم های SPLAM یا طراحی مسیر، مکان یابی و تهیه نقشه همزمان نامیده می شوند. لذا موضوع این پایان نامه استفاده از داده های حل مسئله SLAM و نقشه تولیدی در ناوبری ربات سیار در یک محیط دینامیکی است. در این راستا رسیدن به 3 هدف طراحی مسیر بر اساس نقشه برخط تولید شده، توانا ساختن ربات در یادگیری محیط و مکان یابی ربات مدنظر است. در این میان رباتیک احتمالی که یک شاخه به منظور در نظر گرفتن نامعینی در درک و حرکت ربات بوده، به حل مسائل مکان یابی، تهیه نقشه و SLAM می پردازد. ایده کلیدی در این شاخه نمایش نامعینی با استفاده از حساب تئوری احتمال می باشد. به طور کلی کاربرد حل مسئله SLAM را می توان در محیط های ناشناخته ای دانست که ربات سیار خودمختار نیاز به تعیین دقیق مکان خود و در اولویت بعد به شناخت از محیط دارد. فیلتر کالمن، کالمن توسعه یافته و ذره ای سه تخمینگر پرکاربرد در این زمینه هستند که به تخمین حالت ربات و موانع محیطی می پردازند. با این وجود استفاده از فیلتر ذره ای در محیط های پیچیده و با موانع گوناگون به دلیل حجم محاسبه کمتر و توانایی آن در فرض توزیع های غیرگوسی در سال های اخیر افزایش یافته است. آنچه حلقه ناوبری خودمختار را کامل می کند برنامه ریزی حرکت مناسب با اهداف یافتن مسیر خالی از مانع در نقشه موقعیت مبنا و دوری از موانع ناشناخته یا متحرک است. به این منظور ویژگی های لازم در انتخاب روش طراحی مسیر شامل بهینگی، ایمنی، قابلیت پیاده سازی در ناوبری برخط و سازگاری با نقشه موقعیت مبنا است. با افزایش کاربرد نقشه های موقعیت مبنا یکی از روش های شناخته شده که در سال های اخیر توجه به خود را بازیافته است، روش جستجوی گراف بوده که مهم ترین الگوریتم های آن را می توان دایسترا،ودانست. در این پروژه ازبه عنوان بلوک طراحی مسیر استفاده شده است. اهداف استفاده از بلوک اجتناب از برخورد را می توان تصحیح مسیر ربات با وجود موانع پویا، بوک واسطه میان طراحی مسیر و کنترل کننده و عمل در فضای سرعت دانست. روش پنجره دینامیکی با در نظر گرفتن قیود سرعت و شتاب ربات، تقریب مسیر حرکت با کمان های دایروی، ساخت پنجره در فضای سرعت و انتخاب فرمان سرعت بر اساس تابع هزینه، یک روش مطلوب می باشد. در این پروژه از نسخه این روش بر مبنای نقشه موقعیت مبنا استفاده شده است. کلمات کلیدی: هدایت و ناوبری، ربات سیار خودمختار، نامعینی، فیلتر ذره ای، تهیه نقشه و مکان یابی همزمان، نقشه موقعیت مبنا، طراحی مسیر، اجتناب از برخورد، الگوریتم ، پنجره دینامیکی