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.: Bochum, Univ., Diss., 2006

Univ., Diss.--Bonn.

Ulm, Univ., Diss., 2007.

Zugl.: Köln, Rheinische Fachhochsch., Diplomarbeit, 2001

Univ., Diss., 2010--Würzburg.

Techn. University, Diss., 2002--Berlin.

Universiẗat, Diss., 1999--Freiburg (Breisgau).

This dissertation presents controller design methodologies for a formation of cooperative mobile robots to perform trajectory tracking and convoy protection tasks. Two major problems related to multi-agent formation control are addressed, namely the time-delay and optimality problems. For the task of trajectory tracking, a leader-follower based system structure is adopted for the controller design, where the selection criteria for controller parameters are derived through analyses of characteristic polynomials. The resulting parameters ensure the stability of the system and overcome the steady-state error as well as the oscillation behavior under time-delay effect. In the convoy protection scenario, a decentralized coordination strategy for balanced deployment of mobile robots is first proposed. Based on this coordination scheme, optimal controller parameters are generated in both centralized and decentralized fashion to achieve dynamic convoy protection in a unified framework, where distributed optimization technique is applied in the decentralized strategy. This unified framework takes into account the motion of the target to be protected, and the desired system performance, for instance, minimal energy to spend, equal inter-vehicle distance to keep, etc. Both trajectory tracking and convoy protection tasks are demonstrated through simulations and real-world hardware experiments based on the robotic equipment at Department of Computer Science VII, University of Würzburg. / Diese Dissertation handelt sich um Controller Entwurfsmethoden für eine Bildung von kooperativen mobile Roboter auf Bahnverfolgung und Konvoischutz Aufgaben. Zwei große Probleme zu Multi-Agenten-Formation Steuerung werden angesprochen, nämlich die Zeitverzögerung und Optimalitätsprobleme. Für die Aufgabe der Bahnverfolgung wird eine Leader-Follower-basiertes System für den Reglerentwurf angenommen, in dem die Auswahlkriterien für die Reglerparameter durch Analysen von charakteristischen Polynome abgeleitet werden. Die herauskommenden Parameter sorgen für die Stabilität des Systems und vermeiden die Steady-State Fehler sowie das Schwingungsverhalten unter Zeitverzögerungseffekt. In der Konvoischutz Szenario wird eine dezentrale Koordinationsstrategie zur ausgewogenen Einsatz mobiler Roboter zum ersten Mal vorgeschlagen. Auf der Grundlage dieser Abstimmungsschema werden optimale Reglerparameter in zentrale und dezentrale Weise für den dynamischen Konvoischutz in einem einheitlichen Rahmen erzeugt, in dem verteilten Optimierungstechnik in der dezentralen Strategie angewendet ist. Diese einheitlichen Rahmen berücksichtigt die Bewegung des zuschützenden Ziels, und die gewünschte Systemleistung, zum Beispiel, einen minimalen ausgegebene Energie, und einen gleichen Zwischenfahrzeugabstand, usw. Die Aufgaben der Bahnverfolgung und des Konvoischutzes werden durch Simulationen und realen Hardware-Experimente auf der Basis der Roboterausrüstungen am Institut für Informatik VII, Universität Würzburg demonstriert.