Magdeburg, Universiẗat, Diss., 2002.

München, Techn. University, Diss., 2002.

Tübingen, Universiẗat, Diss., 2004.

Die Dissertation behandelt die Problemstellung der globalen Selbstlokalisation autonomer mobiler Roboter, welche folgendermaßen beschrieben werden kann: Ein mobiler Roboter, eingesetzt in einem Gebäude, kann unter Umständen das Wissen über seinen Standort verlieren. Man geht nun davon aus, dass dem Roboter eine Gebäudekarte als Modell zur Verfügung steht. Mit Hilfe eines Laser-Entfernungsmessers kann das mobile Gerät neue Informationen aufnehmen und damit bei korrekter Zuordnung zur Modellkarte geeignete hypothetische Standorte ermitteln. In der Regel werden diese Positionen aber mehrdeutig sein. Indem sich der Roboter intelligent in seiner Einsatzumgebung bewegt, kann er die ursprünglichen Sensordaten verifizieren und ermittelt im besten Fall seine tatsächliche Position.Für diese Problemstellung wird ein neuer Lösungsansatz in Theorie und Praxis präsentiert, welcher die jeweils aktuelle lokale Karte und damit alle Sensordaten mittels feature-basierter Matchingverfahren auf das Modell der Umgebung abbildet. Ein Explorationsalgorithmus bewegt den Roboter während der Bewegungsphase autonom zu Sensorpunkten, welche neue Informationen bereitstellen. Während der Bewegungsphase werden dabei die bisherigen hypothetischen Positionen bestärkt oder geschwächt, sodaß nach kurzer Zeit eine dominante Position, die tatsächliche Roboterposition,übrigbleibt. / This thesis is dealing with the global self-localisation problem, which is known to be one of the hardest problems among autonomous mobile systems. The problem can be described as follows: A mobile robot agent has a map of the environment but does not know its position. It is equipped with ultransonic sensors and a laser range finder as main sensor. The goal of the robot agent is to recognize its true position within the environment.The level of complexity of this task increases with the size and also with the level of symmetry of the indoor environment. To cope with the problem a new approach will be presented in this thesis using state of the art map building and exploration algorithms as well as feature based localisation methods. Decomposition of the global map into a number of submaps, informative feature selection and multiple submap localisation queries ensure the road of success. The capability of the approach to global self-localising the robot is pointed out by several practical studies.

Nowadays, robotics plays an important role in increasing fields of application. There exist many environments or situations where mobile robots instead of human beings are used, since the tasks are too hazardous, uncomfortable, repetitive, or costly for humans to perform. The autonomy and the mobility of the robot are often essential for a good solution of these problems. Thus, such a robot should at least be able to answer the question "Where am I?". This thesis investigates the problem of self-localizing a robot in an indoor environment using range measurements. That is, a robot equipped with a range sensor wakes up inside a building and has to determine its position using only its sensor data and a map of its environment. We examine this problem from an idealizing point of view (reducing it into a pure geometric one) and further investigate a method of Guibas, Motwani, and Raghavan from the field of computational geometry to solving it. Here, so-called visibility skeletons, which can be seen as coarsened representations of visibility polygons, play a decisive role. In the major part of this thesis we analyze the structures and the occurring complexities in the framework of this scheme. It turns out that the main source of complication are so-called overlapping embeddings of skeletons into the map polygon, for which we derive some restrictive visibility constraints. Based on these results we are able to improve one of the occurring complexity bounds in the sense that we can formulate it with respect to the number of reflex vertices instead of the total number of map vertices. This also affects the worst-case bound on the preprocessing complexity of the method. The second part of this thesis compares the previous idealizing assumptions with the properties of real-world environments and discusses the occurring problems. In order to circumvent these problems, we use the concept of distance functions, which model the resemblance between the sensor data and the map, and appropriately adapt the above method to the needs of realistic scenarios. In particular, we introduce a distance function, namely the polar coordinate metric, which seems to be well suited to the localization problem. Finally, we present the RoLoPro software where most of the discussed algorithms are implemented (including the polar coordinate metric). / Heutzutage spielen autonome Roboter bei einer wachsenden Zahl von Anwendungsgebieten eine entscheidende Rolle. Sie werden überall dort anstelle von menschlichen Arbeitskräften eingesetzt, wo die jeweiligen Aufgaben für Menschen zu gefährlich, unangenehm, monoton oder schlicht zu teuer sind. Dabei sind die Autonomie und Mobilität des Roboters sehr oft grundlegend für eine gute Problemlösung. Ein solcher Roboter sollte also zumindest die Frage "Wo bin ich?" zufriedenstellend beantworten können. Diese Arbeit behandelt das Problem der Selbstlokalisation in einer Gebäudeumgebung mit Hilfe von Entfernungsmesswerten. Das heißt, ein Roboter - ausgestattet mit einem Entfernungssensor - wacht innerhalb eines Gebäudes auf und muss mit Hilfe seiner Sensordaten und einer Karte seiner Einsatzumgebung seine Position bestimmen. Wir betrachten eine idealisierte Variante dieser Aufgabe, die ein rein geometrisches Problem zum Inhalt hat, und untersuchen ein Verfahren von Guibas, Motwani und Raghavan aus dem Gebiet der Algorithmischen Geometrie, welches dieses löst. Hierbei spielen sogenannte Sichtbarkeitsskelette (vergröberte Darstellungen von Sichtbarkeitspolygonen) eine entscheidende Rolle. Im Hauptteil der Arbeit analysieren wir die Strukturen und die auftretenden Komplexitäten im Rahmen dieses Verfahrens. Es stellt sich heraus, dass die Hauptschwierigkeiten sogenannte überlappende Einbettungen von Skeletten in das Kartenpolygon zur Ursache haben, für die wir einige einschränkende Sichtbarkeitsbedingungen zeigen. Gestützt auf diese Resultate können wir die auftretenden Komplexitätsschranken dahingehend verbessern, dass wir diese nicht nur in Abhängigkeit der Gesamtzahl aller Kartenecken angeben, sondern in Abhängigkeit der Zahl der konkaven Ecken. Dies hat ebenfalls Auswirkungen auf die Worst-Case-Schranken für die Preprocessing-Komplexität des Verfahrens. Der zweite Teil der Arbeit vergleicht die anfangs gemachten idealisierenden Annahmen mit den Gegebenheiten realer Umgebungen und adressiert die auftretenden Probleme. Um diese zu umgehen verwenden wir das Konzept sogenannter Distanzfunktionen, welche die Ähnlichkeit zwischen den Sensordaten und der Karte modellieren, und passen das Verfahren auf geeignete Weise an die Bedürfnisse realistischer Szenarien an. Insbesondere führen wir eine Distanzfunktion ein - die Polarkoordinatenmetrik - welche sich für das Lokalisationsproblem besonders gut zu eignen scheint. Schlussendlich stellen wir die Software RoLoPro vor, in der die meisten der diskutierten Algorithmen (einschließlich der Polarkoordinatenmetrik) implementiert sind.

Zugl.: Kassel, Universiẗat, Diss., 2005.

Generating coordinated motion for a mobile robot operating in natural, continuously changing environments among moving obstacles such as humans is a complex task which requires the solution of various sub problems. In this thesis, we will cover the topics of perception and navigation in dynamic environments, as well as reasoning about the motion of the obstacles and of the robot itself. Perception is mainly considered for a laser range finder, and an according method for obstacle detection and tracking is proposed. Network optimization algorithms are used for data association in the tracking step, resulting in considerable robustness with respect to clutter by small objects. Navigation in general is accomplished using an adaptation of the velocity obstacle approach to the given vehicle kinematics, and cooperative motion coordination between the robot and a human guide is achieved using an appropriate selection rule for collision-free velocities. Next, the robot is enabled to compare its path to the path of a human guide using one of a collection of presented distance measures, which permits the detection of exceptional conditions. Furthermore, a taxonomy for the assessment of situations concerning the robot is presented, and following a summary of existing approaches to more intelligent and comprehensive perception, we propose a method for obstruction detection. Finally, a new approach to reflective navigation behaviors is described where the robot reasons about intelligent moving obstacles in its environment, which allows to adjust the character of the robot motion from regardful and defensive to more self-confident and aggressive behaviors. / Die Realisierung einer koordinierten und effektiven Fortbewegung für einen mobilen Roboter in natürlichen, sich kontinuierlich verändernden Umgebungen unter sich ebenso bewegenden Hindernissen ist eine komplexe Aufgabe, die die Lösung einer Reihe von Unterproblemen voraussetzt. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich sowohl mit den Themen der Wahrnehmung und Fortbewegung in veränderlichen Umgebungen, als auch mit Methoden zur Analyse der Hindernisbewegungen in Zusammenhang mit der Roboterbewegung selbst. Die Wahrnehmung wird in erster Linie anhand von Laserscannern betrachtet, und ein entsprechendes Verfahren zur Hindernisdetektion und -verfolung wird vorgestellt. Dabei werden Verfahren der globalen Netzwerkoptimierung eingesetzt, um Korrespondenzen zwischen Objekten aus den Einzelbildern herzustellen, was sich positiv auf die Robustheit gegenüber Störungen durch sporadische kleine Objekte auswirkt. Die Navigation basiert auf einer Adaption des sog. "Velocity Obstacle" Ansatzes auf die vorhandene Fahrzeugkinematik, und eine kooperative Bewegungskoordination (Roboter begleitet Mensch) wird durch eine geeignete Auswahlregel für kollisionsfreie Geschwindigkeiten realisiert. Anschließend werden verschiedene Distanzmaße eingeführt, anhand derer sich etwa der Pfad des Roboters mit dem Pfad seiner Begleitperson vergleichen lässt. Weiter wird eine Klassifizierung von Situationen vorgenommen, in die der Roboter potentiell involviert sein kann, und nach einer Übersicht über existierende Ansätze zur automatischen Intentionserkennung wird ein praktikabler Ansatz zur Erkennung gezielter Behinderungen eines mobilen Roboters vorgestellt. Die Arbeit schließt mit einem neuen Ansatz der Bewegungsplanung in dynamischen Umgebungen, der auf rekursiven Modellen des Roboters von seinem Gegenüber basiert, d.h. der Roboter berechnet zunächst, wie er sich in der Situation des (intelligenten, beweglichen) Hindernisses fortbewegen würde, und bezieht dies in die Entscheidung über die eigene Fortbewegung mit ein. Je nach Rekursionstiefe entstehen hierdurch Verhaltensweisen unterschiedlichen Charakters für den Roboter.

Vortrag UNIX-Stammtisch 05/97

Stuttgart, Univ., Fakultät Informatik, Diplomarb., 1996.

Stuttgart, Univ., Fakultät Informatik, Studienarb., 1997.