Skip to main content
SUPERVISOR
حسین کریم پور (استاد راهنما) مهدی کشمیری (استاد راهنما)
 
STUDENT
Majid Fatahian
مجید فتاحیان

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1394

TITLE

Exploration of an Unknown Flat Two-Dimensional Environment by a Mobile Robot, Theoretical Study and Practical Implementation
Robotics knowledge is increasing on a daily basis and it is expected that this knowledge will affect all aspects of humans lives. In the meanwhile, mobile robots have extra importance because they can perform both simple and complex tasks effectively. Extracting an accurate and complete map of the world is among the most difficult tasks in mobile robotics. Generally, there are three main tasks for a mobile robot: localization, mapping and path planning(motion planning). One of the most important tasks in a mobile robot is exploration which is a combination of mapping and path planning. Although the problem of exploration is the combination of mapping and path planning, but in practice, without localization, solving the problem is not feasible. As a result, the combination of exploration with simultaneous localization and mapping(SLAM) should always be considered to work on a real environment. This type of robot is able to navigate through an unknown environment without human supervision, scan the environment and create a map of it while avoiding obstacles. Mobile robot working environments are unstructured with high uncertainty. Generally, there are five sources of uncertainty including: environment, sensors, actuators, mathematical models and calculations. To deal with these uncertainties, probabilistic robotics is used in this research. Probabilistic robotics uses probability theory to consider uncertainty in perception and action. In this way, it can solve the three main tasks of the mobile robot. In this regard, enabling the mobile robot to learn the map of the world and choose the optimum destination to continue the autonomous scanning of the environment, is the topic of this thesis. For this purpose, the Rao-Blackwellized particle filter for occupancy grid maps is used to determine the pose of the robot and create the map of the world. Furthermore, a two layered architecture is used for motion planning, considering the path planning and obstacle avoidance. The fundamental of exploration problem is determining the optimum goal among the other potential goals. The main objective of this research is to gain the ability of selecting the goal without human intervention and creating the map of the world autonomously. Hence in this thesis, the frontier-based exploration strategy is applied to the robot for the purpose of selecting the optimum goal. For practical implementation of the exploration problem, Robot Operating System(ROS) framework is used as the software platform of the robot. Moreover, the area of the fifth floor of the mechanical engineering department of the Isfahan university of technology is chosen as the unknown environment to test the robot. As a result, the frontier-based approach turned to be an effective algorithm for exploring the large and cluttered environments. Keywords: Frontier-Based Exploration, SLAM, Exploration for SLAM, Autonomous Mobile Robot, Rao-Blackwellized Particle Filter, Occupancy Grid Map
دانش رباتیک با گسترش روزافزونی در جوامع مختلف مواجه است، به گونه‌ای که می‌توان انتظار داشت در آینده‌ای نزدیک، تمامی جوانب زندگی روزمره‌ی انسان‌ها را تحت‌الشعاع خود قراردهد. در این میان ربات‌های متحرک از اهمیت و توجه خاصی برخوردار بوده و قادر هستند وظایف ساده و پیچیده‌ای را انجام دهند. استخراج نقشه‌ای دقیق و کامل از محیط به صورت خودمختار، یکی از پیچیده‌ترین وظایف در رباتیک متحرک است. به طور کلی برای ربات‌های متحرک سه وظیفه‌ی اصلی یعنی مکان‌یابی، نقشه‌سازی و طراحی مسیر(برنامه‌ریزی حرکت) در نظر گرفته می‌شود. مسئله‌ی اکتشاف که محصول تلفیق دو وظیفه‌ی نقشه‌سازی و طراحی مسیر است، از جمله مهم‌ترین مسائل در رباتیک متحرک است. اگرچه مسئله‌ی اکتشاف تلفیق نقشه‌سازی و طراحی مسیر است، اما در عمل، بدون وجود مکان‌یابی حل این مسئله ممکن نیست. لذا همواره باید ترکیب اکتشاف با مکان‌یابی و همزمان (SLAM) برای فعالیت در محیط واقعی مورد نظر قرارگیرد. چنین رباتی قادر است بدون هدایت و راهبری مستقیم از سوی انسان، در محیط ناشناخته حرکت کرده و بدون برخورد با موانع، آن را پویش کند و در نهایت نقشه‌ای از آن را ایجاد نماید. محیط‌هایی که ربات‌های متحرک در آن‌ها قرار دارند، محیط‌هایی غیرساختاریافته و دارای نامعینی‌های فراوانی هستند. به‌طور کلی منابع ایجادکننده نامعینی را می‌توان شامل 5 مورد محیط، حسگرها، عملگرها، مدل ریاضی و محاسبات در نظر گرفت. برای مواجهه با این نامعینی‌ها، در این پژوهش از رباتیک احتمالی استفاده می‌شود. رباتیک احتمالی به منظور درنظرگرفتن نامعینی در درک و عمل، از حساب تئوری احتمال بهره می‌برد و بدین طریق قادر به حل وظایف سه‌گانه مذکور می‌باشد. در این راستا توانمند ساختن ربات متحرک در یادگیری محیط و گزینش مقصد بهینه برای ادامه‌ی پویش در محیط به صورت خودمختار، موضوع این پژوهش است. برای دستیابی به این مهم، برای تعیین موقعیت ربات و ایجاد نقشه‌ای از محیط، از فیلتر ذره‌ای رائوبلکولایزد(RBPF) در نقشه‌های شبکه‌اشغال استفاده شده‌است. همچنین برای برنامه‌ریزی حرکت نیز یک معماری دولایه به‌کار گرفته شده که شامل طراحی مسیر در لایه‌ی اول و اجتناب از برخورد در لایه‌ی دوم است. شالوده‌ی اصلی در مسئله‌ی اکتشاف محیط، تعیین نقطه‌هدف بهینه از میان نقطه‌هدف‌های بالقوه می‌باشد. از این‌رو هدف اصلی این پژوهش را می‌توان کسب توانایی انتخاب مقصد بدون نیاز به عامل انسانی و ایجاد نقشه‌ی محیط به صورت خودمختار دانست. لذا در این پایان‌نامه به منظور خودمختارسازی ربات متحرک، از راهبرد اکتشاف مبتنی بر مرز برای انتخاب نقطه‌هدف مطلوب استفاده شده است. به منظور پیاده‌سازی عملی مسئله‌ی اکتشاف، از چهارچوب نرم‌افزاری ROS به عنوان محیط نرم‌افزاری ربات استفاده شده‌است. همچنین، محدوده‌ی طبقه پنجم ساختمان دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی اصفهان به عنوان محیط ناشناخته در نظر گرفته شده‌است. نتایج حاصل از پیاده‌سازی عملی نمایانگر آن هستند که در اکتشاف محیط‌های بزرگ و شلوغ، راهبرد مبتنی بر مرز به صورت کارا و مؤثری عمل می‌کند. کلمات کلیدی: اکتشاف مبتنی بر مرز، مکان‌یابی و نقشه‌سازی همزمان، اکتشاف برای SLAM، ربات متحرک خودمختار، فیلتر ذره‌ای، نقشه‌‌ی شبکه‌اشغال

ارتقاء امنیت وب با وف بومی