Alessandro Dionisi Thesis Presentation

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    14-Dec-2014

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This is my master thesis presentation, discussing mobile robot exploration using ZigBee devices

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  • 1. Candidato: Alessandro Dionisi Relatore: Prof. Luca Iocchi Facolt di Ingegneria Tesi di Laurea Specialistica inIngegneria Informatica Esplorazione per Robot Mobilibasata su Dispositivi ZigBee 20 maggio 2008 A.A. 2006/2007

2.

  • Introduzione
  • Esplorazione autonoma
  • Lalgoritmo di esplorazione
  • Sperimentazione
  • Analisi della qualit del segnale su dispositiviZigBee
  • Conclusioni e sviluppi futuri

Sommario Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi 3.

  • Introduzione
  • Esplorazione autonoma
  • Lalgoritmo di esplorazione
  • Sperimentazione
  • Analisi della qualit del segnale su dispositiviZigBee
  • Conclusioni e sviluppi futuri

Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi 4.

  • Robotica mobile
    • Ambiente domestico
    • Operazioni di soccorso
    • Sorveglianza
    • Esplorazioni in condizioni estreme
  • W irelessS ensorN etwork (WSN)
    • Transceiver + microcontrollore + batteria
    • Basso costo, autorganizzazione
    • Monitoraggio, telemedicina, domotica

Ambito di interesse Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi Localizzazione dei nodi? [MFA07] 5.

  • Selezionare una piattaforma hardware/software per WSN
  • Sperimentazione sulla piattaforma scelta
  • Integrazione di sistemi di robotica mobile con le potenzialit offerte dalle WSN, mediante un'applicazione di supporto allalocalizzazione
  • Test del sistema realizzato in simulazione e in ambiente reale

Obiettivi della tesi Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi 6.

  • Introduzione
  • Esplorazione autonoma
  • Lalgoritmo di esplorazione
  • Sperimentazione
  • Analisi della qualit del segnale su dispositiviZigBee
  • Conclusioni e sviluppi futuri

Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi 7.

  • Il robot sceglie autonomamente le aree da esplorare, incrementando la conoscenza del mondo
    • Costruzione di mappe ( Mapping )
    • Ricerca di zone di interesse ( Search )
  • Per massimizzare la conoscenza del mondo, spostati al confine tra spazio noto e inesplorato [Yam98]
    • Esplorazione basata sul concetto difrontiera
      • Trovate mediante laser scanner o sonar
  • Inmolti approcci la ricercacieca
    • Scelta casuale ogreedydella frontiera[Yam98, MTK, SB03 ,BMF + 00]

Esplorazione autonoma Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi 8.

  • Tale informazione rappresentata dalLink Quality Indicator (LQI) , un valore riportato in ogni pacchetto dello standard per reti di sensoriZigBee
  • Assume valori tra0e255 , fornendo unindicazione della qualit del collegamento tra trasmettitore e ricevitore

Il contributo della WSN Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi Idea:sfruttare le informazioni provenienti dai dispositivi della WSN, per guidare lesplorazione autonoma in aree sconosciute 9.

  • Il dispositivo ZigBee pu avere due funzioni principali:
    • Pu segnalare punti di interesse per lesplorazione dellambiente
      • Trasmette periodicamente un messaggio di tipobeacon
    • A bordo del robot, ha la funzione di un sensore di prossimit
      • E in grado ricevere i beacon ed estrarre il LQI per ogni messaggio

Ruoli dei dispositivi Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi 10.

  • Introduzione
  • Esplorazione autonoma
  • Lalgoritmo di esplorazione
  • Sperimentazione
  • Analisi della qualit del segnale su dispositiviZigBee
  • Conclusioni e sviluppi futuri

Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi 11.

  • A partire dalle considerazioni fatte, stato realizzato un algoritmo euristico, che si basa sul LQI per la scelta della frontiera ad ogni passo
  • Esso utilizza moduli software di esplorazione autonoma, realizzati per il frameworkSPQR-RDK

Descrizione dellalgoritmo (1/2) Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi 12.

  • Lambiente viene discretizzato in celle. Nella celle dove transita il robot, viene salvato il valore del LQI
  • Viene assegnato un punteggio ( score ) ad ogni frontiera disponibile
  • Lo score calcolato considerando:
    • Un intervallo di valori LQI, a distanza minDist +
    • La distanza euclidea dalla frontiera

Descrizione dellalgoritmo (2/2) Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi Controllo tra lunghezza del path e distanza euclidea. Se esso fallisce la frontiera viene scartata e si passa alla seconda con score pi alto Score: F 1 =167.36 F 2 =137.08 13.

  • Introduzione
  • Esplorazione autonoma
  • Lalgoritmo di esplorazione
  • Sperimentazione
  • Analisi della qualit del segnale su dispositiviZigBee
  • Conclusioni e sviluppi futuri

Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi 14. Esempio in simulazione (1/3) Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi Dipartimento di Informatica e Sistemistica Primo piano Ambiente di simulazione Player/Stage 15. Esempio in simulazione (2/3) Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi 16. Esempio in simulazione (3/3) Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi Percorso di esplorazione effettuato dal robot 17. Esempio in ambiente reale

  • Tempo impiegato per la ricerca:830
  • Tempo impiegato conoscendo gi lobiettivo:327

Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi 18.

  • Introduzione
  • Esplorazione autonoma
  • Lalgoritmo di esplorazione
  • Sperimentazione
  • Analisi della qualit del segnale su dispositiviZigBee
  • Conclusioni e sviluppi futuri

Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi 19.

  • Dopo unattenta fase di studio presso stato deciso limpiego dello standard per WSNZigBee
    • Bassi costi e ottima autonomia energetica
    • Possibilit di creare reti mesh (routing)
  • Specifiche
    • Basato sullo standard IEEE 802.15.4
    • Banda ISM - 2.4 GHz
    • Potenza massima 0 dBm (1 mW)
    • Bassi data rate ( 250 kbps)
    • Range trasmissivi: 30 m (Indoor), 120 m (Line-of-Sight)

Lo standard ZigBee Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi 20.

  • Basata sul SiP MC13213 di Freescale

Piattaforma hardware Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi Diagramma di radiazione uniforme[Sem06]F-Antenna 21.

  • Secondo lequazione di Friis per la propagazione:
  • Conoscendo lapotenza del segnale ricevuto possibile stimare la distanza tra trasmettitore e ricevitore
    • Informazione facilmente ricavabile in ogni dispositivo
      • Nei dispositivi utilizzaticorrisponde con il LQI
    • Dato rumoroso, a causa di fenomeni fisici come attenuazione emultipath
    • In ambienti indoor difficile correlare direttamente la potenza ricevuta alla distanza

Cosa rappresenta il LQI? Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi 22.

  • Nodi disposti in visibilit a 50 cm dal suolo e a distanze tra 1 e 20 m, inviando 50 pacchetti per ogni posizione

Ambiente outdoor Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi

  • Osservazioni:
  • Si ritrovano i risultati visti nella teoria
  • Allaumentare della distanza, aumenta la varianza
  • Strano comportamento intorno ai 4 m, dovuto a non linearit nel circuito Rx

23.

  • Stessa configurazione rispetto al caso outdoor, campionando in modo abbastanza regolare lambiente (unabitazione)

Ambiente indoor (1/2) Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi

  • Osservazioni:
  • Il LQI difficilmente correlabile alla distanza
  • Presenza di rilevazioni anomale
  • I valori riportati possono comunque dare una indicazione qualitativa di quanto si prossimi alla sorgente del segnale

Tx Rx 24.

  • Test effettuati con lo scopo di verificare landamento del LQI in condizioni dinamiche, posizionando il nodo Rx su un robot mobile

Ambiente indoor (2/2) Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi Tx Rx 25.

  • Introduzione
  • Esplorazione autonoma
  • Lalgoritmo di esplorazione
  • Sperimentazione
  • Analisi della qualit del segnale su dispositiviZigBee
  • Conclusioni e sviluppi futuri

Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi 26.

  • Con lapproccio presentato la scelta delle frontiere di esplorazione non si basa su strategie greedy[Yam98,MTK,SB03,BMF + 00]
  • La ricerca cieca diventa informata

Risultati ottenuti (1/2) Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi E possibile ridurre notevolmente lo spazio di ricerca

  • Diminuzione dei tempi necessari per trovare lobiettivo
  • Aumento dellautonomia energetica del robot

Sperimentazione dellalgoritmo in ambientiindoor semistrutturati , sia in simulazione (piattaforma Player/Stage) che in ambiente reale (robot del SIED Rotolotto) 27.

  • Lapproccio pu essere impiegato in diversi scenari:
    • Search & Rescue[ BCC+04]
      • I dispositivi ZigBee possono segnalare feriti, punti di raccolta, altri robot
      • Deployment di reti ad-hoc [HMS02]
        • In questo caso occorre cercare le zone con LQI pi basso
          • Permette il controllo e monitoraggio di operatori esterni
          • Consente di mantenere le comunicazioni tra gruppi di robot distanti
    • Rendezvous[DR97]
      • Diversi robot cercano di raggiungere unlandmark , indicato da un nodo
    • Sorveglianza[HBB+00]
      • I nodi possono individuare il luogo dove lallarme si verificato
      • Non necessario mantenere traccia (ad es. su una mappa) delle zone da sorvegliare

Risultati ottenuti (2/2) Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi 28.

  • Possibili miglioramenti allalgoritmo di esplorazione
    • Raffinare leuristica per il calcolo degli score
    • Interrompere in anticipo la navigazione del robot verso la frontiera, se il LQI decresce eccessivamente
  • Lalgoritmo implementato risolve un problema base
    • Considerare informazioni topologiche sullambiente
    • Estensione a scenari multi-robot
      • Esplorazione coordinata

Sviluppi futuri Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi 29.

  • [MFA07]Guoqiang Mao, Bars Fidan and Brian D. O. Anderson. Wireless SensorNetwork Localization Techniques. Computer Networks, 51(10):2529-2553, 2007.
  • [Yam97] Brian Yamauchi. A Frontier-Based Approach for Autonomous Exploration. In Proceedings of the IEEEInternational Conference on Robotics andAutomation , 1997.
  • [BMF + 00] W. Burgard, M. Moors, D. Fox, R. Simmons, and S. Thrun. Collaborative Multi-Robot Exploration. In Proceedings of IEEEInternational Conference on Robotics and Automation, 2000.
  • [SB03] C. Stachniss and W. Burgard. Exploring Unknown Environments with Mobile Robots using Coverage Maps. In Proceedings of theInternationalConference on Articial Intelligence , 2003.
  • [MTK] Apurva Mudgal, Craig Tovey, and Sven Koenig. Analysis of Greedy Robot- NavigationMethods.
  • [Sem06] Freescale Semiconductors. Compact Integrated Antennas Designs and Applications for the MC1319x, MC1320x, and MC1321x, 2006.http: //www.freescale.com .
  • [Rap01] Theodore Rappaport. Wireless Communications: Principles and Practice.Prentice Hall, 2001.
  • [DR97] Gregory Dudek and Nicholas Roy. Multi-Robot Rendezvous in Unknown Environments. In Proceedings ofInternational Conference onArticial Intelligence , 1997.
  • [BCC+04] S. Bahadori, D. Calisi, A. Censi, A. Farinelli, G. Grisetti, L. Iocchi, andD. Nardi. Intelligent Systems for Search and Rescue. In Proceedings ofIntelligent Robots and Systems WorkshopUrban search and rescue: from Robocup to real world applications, 2004.
  • [HBB+00] D. Hougen, S. Benjaafar, J. Bonney, J. Budenske, M. Dvorak, M. Gini, H. French, D. Krantz, P. Li, F. Malver, B. Nelson, N. Papanikolopoulos,P. Rybski, S. Stoeter, R. Voyles, and K. Yesin. A Miniature Robotic System for Reconnaissance and Surveillance. In Proceedings of IEEEInternational Conference on Robotics and Automation, 2000.
  • [HMS02] Andrew Howard, Maja J. Mataric, and Gaurav S. Sukhatme. An Incremental Self- Deployment Algorithm for Mobile Sensor Networks. In Autonomous Robots, special issue on Intelligent Embedded Systems, 2002.

Bibliografia Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi

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