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

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.: Hagen, Fernuniv., Diss., 2007

Stuttgart, Univ., Fakultät Informatik, Diplomarb., 1999.

Thèse EPFL, 2007. / Mit engl. "abstract." Bibliogr.

This work is composed of three main parts: remote control of mobile systems via Internet, ad-hoc networks of mobile robots, and remote control of mobile robots via 3G telecommunication technologies. The first part gives a detailed state of the art and a discussion of the problems to be solved in order to teleoperate mobile robots via the Internet. The focus of the application to be realized is set on a distributed tele-laboratory with remote experiments on mobile robots which can be accessed world-wide via the Internet. Therefore, analyses of the communication link are used in order to realize a robust system. The developed and implemented architecture of this distributed tele-laboratory allows for a smooth access also with a variable or low link quality. The second part covers the application of ad-hoc networks for mobile robots. The networking of mobile robots via mobile ad-hoc networks is a very promising approach to realize integrated telematic systems without relying on preexisting communication infrastructure. Relevant civilian application scenarios are for example in the area of search and rescue operations where first responders are supported by multi-robot systems. Here, mobile robots, humans, and also existing stationary sensors can be connected very fast and efficient. Therefore, this work investigates and analyses the performance of different ad-hoc routing protocols for IEEE 802.11 based wireless networks in relevant scenarios. The analysis of the different protocols allows for an optimization of the parameter settings in order to use these ad-hoc routing protocols for mobile robot teleoperation. Also guidelines for the realization of such telematics systems are given. Also traffic shaping mechanisms of application layer are presented which allow for a more efficient use of the communication link. An additional application scenario, the integration of a small size helicopter into an IP based ad-hoc network, is presented. The teleoperation of mobile robots via 3G telecommunication technologies is addressed in the third part of this work. The high availability, high mobility, and the high bandwidth provide a very interesting opportunity to realize scenarios for the teleoperation of mobile robots or industrial remote maintenance. This work analyses important parameters of the UMTS communication link and investigates also the characteristics for different data streams. These analyses are used to give guidelines which are necessary for the realization of or industrial remote maintenance or mobile robot teleoperation scenarios. All the results and guidelines for the design of telematic systems in this work were derived from analyses and experiments with real hardware. / Diese Arbeit gliedert sich in drei Hauptteile: Fernsteuerung mobiler Systeme über das Internet, ad-hoc Netzwerke mobiler Roboter und Fernsteuerung mobiler Roboter über Mobilfunktechnologien der 3. Generation. Im ersten Teil werden ein ausführlicher Stand der Technik und eine Diskussion der bei der Fernsteuerung mobiler Roboter über das Internet zu lösenden Probleme gegeben. Der Fokus der zu realisierenden Anwendung in diesem Teil der Arbeit liegt auf einem verteilten Tele-Labor mit Experimenten zu mobilen Robotern, welche über das Internet weltweit zugänglich sind. Hierzu werden Link-Analysen der zugrundeliegenden Kommunikationsinfrastruktur zu Hilfe genommen, um ein robustes System zu realisieren. Die entwickelte und implementierte Architektur des verteilten Tele-Labors erlaubt einen reibungslosen Zugang auch für Verbindungen mit variabler oder schlechter Linkqualität. Im zweiten Teil werden ad-hoc Netzwerke mobiler Roboter behandelt. Die Vernetzung mobiler Roboter über mobile ad-hoc Netzwerke ist eine vielversprechende Möglichkeit um integrierte Telematiksysteme zu realisieren ohne auf zuvor existierende Infrastruktur angewiesen zu sein. Relevante Einsatzszenarien im zivilen Bereich sind zum Beispiel Such- und Rettungsszenarien, in denen die Rettungskräfte vor Ort durch vernetzte Multi-Roboter Systeme unterstütz werden. Hier werden dann mobile Roboter, Menschen und gegebenenfalls auch vorhandene stationäre Sensoren schnell und effizient vernetzt. In dieser Arbeit werden dazu verschieden ad-hoc Routing-Protokolle für IEEE 802.11 basierte Drahtlosnetzwerke in relevanten Szenarien untersucht und deren Leistungsfähigkeit verglichen. Die Analyse der verschiedenen Protokolle erlaubt eine Optimierung der Parametereinstellung, um diese ad-hoc Routing-Protokolle zur Fernsteuerung mobiler Roboter nutzbar zu machen. Weiterhin werden Richtlinien zur Realisierung solcher Telematiksysteme erarbeitet und Mechanismen zur Verkehrsformung auf Applikationsebene präsentiert, die eine effizientere Nutzung der vorhandenen Kommunikationskanäle erlauben. Als weiteres Anwendungsbeispiel ist die Integration eines ferngesteuerten Kleinhubschraubers in ein IP basiertes ad-hoc Netz beschrieben. Der dritte Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Fernsteuerung mobiler Roboter über Mobilfunktechnologien der 3. Generation. Die hohe Verfügbarkeit der UMTS-Technologie mit der verbundenen Mobilität und der gleichzeitigen hohen Bandbreite bietet hier eine interessante Möglichkeit um die Fernsteuerung mobiler Roboter oder auch interaktive Fernwartungsszenarien zu realisieren. In der vorliegenden Arbeit werden wichtige Parameter der UMTS Verbindung analysiert und auch die Charakteristiken der Verbindung für verschiedene Verkehrsströme ermittelt. Diese dienen dann zur Erstellung von Richtlinien, die zur Umsetzung der interaktive Fernwartungsszenarien oder auch der Fernsteuerung mobiler Roboter nötig sind. Die in dieser Arbeit erstellten Richtlinien zum Entwurf von Telematiksystemen wurden aus Analysen und Experimenten mit realer Hardware abgeleitet.

Zugl.: Hannover, Univ., Diss., 2008

In this thesis, time-optimal control of the bi-steerable robot is addressed. The bi-steerable robot, a vehicle with two independently steerable axles, is a complex nonholonomic system with applications in many areas of land-based robotics. Motion planning and optimal control are challenging tasks for this system, since standard control schemes do not apply. The model of the bi-steerable robot considered here is a reduced kinematic model with the driving velocity and the steering angles of the front and rear axle as inputs. The steering angles of the two axles can be set independently from each other. The reduced kinematic model is a control system with affine and non-affine inputs, as the driving velocity enters the system linearly, whereas the steering angles enter nonlinearly. In this work, a new approach to solve the time-optimal control problem for the bi-steerable robot is presented. In contrast to most standard methods for time-optimal control, our approach does not exclusively rely on discretization and purely numerical methods. Instead, the Pontryagin Maximum Principle is used to characterize candidates for time-optimal solutions. The resultant boundary value problem is solved by optimization to obtain solutions to the path planning problem over a given time horizon. The time horizon is decreased and the path planning is iterated to approximate a time-optimal solution. An optimality condition is introduced which depends on the number of cusps, i.e., reversals of the driving direction of the robot. This optimality condition allows to single out non-optimal solutions with too many cusps. In general, our approach only gives approximations of time-optimal solutions, since only normal regular extremals are considered as solutions to the path planning problem, and the path planning is terminated when an extremal with minimal number of cusps is found. However, for most desired configurations, normal regular extremals with the minimal number of cusps provide time-optimal solutions for the bi-steerable robot. The convergence of the approach is analyzed and its probabilistic completeness is shown. Moreover, simulation results on time-optimal solutions for the bi-steerable robot are presented. / In dieser Dissertation wird die zeitoptimale Steuerung des zweiachsgelenkten Roboters behandelt. Der zweiachsgelenkte Roboter, ein Fahrzeug mit zwei voneinander unabhängig lenkbaren Achsen, ist ein komplexes nichtholonomes System mit Anwendungen in vielen Bereichen der Land-Robotik. Bahnplanung und optimale Steuerung sind anspruchsvolle Aufgaben für dieses System, da Standardverfahren hierfür nicht anwendbar sind. Das hier betrachtete Modell des zweiachsgelenkten Roboters ist ein reduziertes kinematisches Modell mit der Fahrgeschwindigkeit und den Lenkwinkeln als Eingangsgrößen. Die Lenkwinkel der beiden Achsen können unabhängig voneinander vorgegeben werden. Das reduzierte kinematische Modell ist ein Kontrollsystem mit affinen und nichtaffinen Eingängen, da die Fahrgeschwindigkeit linear in das System eingeht, während die Lenkwinkel nichtlineare Eingangsgrößen sind. In dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz zur Lösung des zeitoptimalen Steuerungsproblems für den zweiachsgelenkten Roboter vorgestellt. Im Gegensatz zu den meisten Standardmethoden für die zeitoptimale Steuerung basiert unser Ansatz nicht ausschließlich auf Diskretisierung und rein numerischen Verfahren. Stattdessen wird das Pontryagin Maximum Prinzip angewendet, um Kandidaten für zeitoptimale Lösungen zu charakterisieren. Das sich dabei ergebende Randwertproblem wird durch Optimierung gelöst, um Lösungen für das Bahnplanungsproblem über einem bestimmten Zeithorizont zu erhalten. Die Bahnplanung wird über einem abnehmenden Zeithorizont iteriert, um eine zeitoptimale Lösung zu approximieren. Eine Optimalitätsbedingung wird eingeführt, die von der Anzahl der Richtungsumkehrungen des Roboters abhängt. Diese Optimalitätsbedingung erlaubt es, nichtoptimale Lösungen mit zu vielen Richtungsumkehrungen auszusondern. Im Allgemeinen liefert unser Ansatz nur Approximationen zeitoptimaler Lösungen, da nur normale reguläre Extremalen als Lösungen für das Bahnplanungsproblem betrachtet werden und die Bahnplanung beendet wird, sobald eine Extremale mit der minimalen Anzahl von Richtungsumkehrungen gefunden wurde. Allerdings ergeben normale reguläre Extremalen mit der minimalen Anzahl von Richtungsumkehrungen für die meisten Zielkonfigurationen des zweiachsgelenkten Roboters zeitoptimale Lösungen. Die Konvergenz des Ansatzes wird untersucht und seine probabilistische Vollständigkeit wird bewiesen. Des Weiteren werden Simulationsergebnisse für zeitoptimale Lösungen des zweiachsgelenkten Roboters präsentiert.

Das automatische Erstellen einer Fahrbahn ist eine wichtige Voraussetzung für verschiedene Anwendungen der Robotik, wie z. B. autonome Fahrzeuge oder fahrerlose Transportsysteme. In dieser Arbeit werden verschiedene bekannte Verfahren der Bahnplanung vorgestellt und miteinander verglichen. Die Berücksichtigung mechanischer Zwangsbedingungen ist dabei ein Schwerpunkt der Betrachtungen. Anschließend wird die konkrete Implementierung eines abtastbasierten Verfahrens beschrieben und der Einfluss verschiedener Parameter auf dessen Funktionalität untersucht. Der Planungsalgorithmus wird außerdem um die Möglichkeit einer dynamischen Umplanung der aktuellen Bahn erweitert. Zahlreiche Simulationen belegen, dass das umgesetzte Verfahren auch komplexe Bahnplanungsprobleme unter verschiedenen Bedingungen in vergleichsweise kurzer Zeit lösen kann. Schwächen zeigen sich vor allem bei sehr engen Manövrierräumen und extrem dynamischen Umgebungen. / Automatic path planning is an important prerequisite for various applications in robotics, such as autonomous vehicles or automatic guided vehicle systems. In this thesis, different approaches for path planning are presented. The methods are compared and evaluated, especially considering their ability to handle differential constraints. Then, the concrete implementation of a sampling-based approach using motion primitives is explained. This algorithm is finally expanded to allow dynamic replanning in reaction of unexpected environmental changes. In numerous simulations, the implemented method proves its ability to solve path planning problems under a variety of conditions in a relatively short amount of time. It is only in extremely narrow spaces and highly dynamic environments when the approach fails to generate a solution.