Towards autonomous robotic systemsseamless localization and trajectory planning in dynamic environments

Abstract

Evolucionar hacia una sociedad más automatizada y robotizada en la que podamos convivir con sistemas robóticos que desempeñen tareas poco atractivas o peligrosas para el ser humano, supone plantearnos, entre otras cuestiones, qué soluciones existen actualmente y cuáles son las mejoras a incorporar a las mismas. La mayoría de aplicaciones ya desarrolladas son soluciones robustas y adecuadas para el fin que se diseñan. Sin embargo, muchas de las técnicas implantadas podrían funcionar de manera más eficiente o bien adaptarse a otras necesidades. Asimismo, en la mayoría de aplicaciones robóticas adquiere importancia el contexto en el que desempeñan su función. Hay entornos estructurados y fáciles de modelar, mientras que otros apenas presentan características utilizables para obtener información de los mismos. Esta tesis se centra en dos de las funciones básicas que debe tener cualquier sistema robótico autónomo para desplazarse de forma robusta en cualquier tipo de entorno: la localización y el cálculo de trayectorias seguras. Además, los escenarios en los que se desea poner en práctica la investigación son complejos: un parque industrial con zonas cuyas características de entorno (usualmente geométricas) son utilizadas para que un robot se localice, varían; y entornos altamente ocupados por otros agentes móviles, como el vestíbulo de un teatro, en los que se debe considerar las características dinámicas de los demás para calcular un movimiento que sea seguro tanto para el robot como para los demás agentes. La información que se puede percibir de los escenarios con ambientes no homogéneos, por ejemplo de interior y exterior, suele ser de características diferentes. Cuando la información que se dispone del entorno proviene de sensores diferentes hay que definir un método que integre las medidas para tener una estimación de la localización del robot en todo momento. El tema de la localización se ha investigado intensamente y existen soluciones robustas en interior y exterior, pero no tanto en zonas mixtas. En las zonas de transición interior-exterior y viceversa es necesario utilizar sensores que funcionan correctamente en ambas zonas, realizando una integración sensorial durante la transición para evitar discontinuidades en la localización o incluso que el robot se pierda. De esta manera la navegación autónoma, dependiente de la correcta localización, funcionará sin discontinuidades ni movimientos bruscos. En entornos dinámicos es esencial definir una forma de representar la información que refleje su naturaleza cambiante. Por ello, se han definido en la literatura diferentes modelos que representan el dinamismo del entorno, y que permiten desarrollar una planificación de trayectorias directamente sobre las variables que controlan el movimiento del robot, en nuestro caso, las velocidades angular y lineal para un robot diferencial. Los planificadores de trayectorias y navegadores diseñados para entornos estáticos no funcionan correctamente en escenarios dinámicos, ya que son puramente reactivos. Es necesario tener en cuenta la predicción del movimiento de los obstáculos móviles para planificar trayectorias seguras sin colisión. Los temas abordados y las contribuciones aportadas en esta tesis son: • Diseño de un sistema de localización continua en entornos de interior y exterior, poniendo especial interés en la fusión de las medidas obtenidas de diferentes sensores durante las transiciones interior-exterior, aspecto poco abordado en la literatura. De esta manera se obtiene una estimación acotada de la localización durante toda la navegación del robot. Además, la localización se integra con una técnica reactiva de navegación, construyendo un sistema completo de navegación. El sistema integrado se ha evaluado en un escenario real de un parque industrial, para una aplicación logística en la que las transiciones interior-exterior y viceversa suponían un problema fundamental a resolver. • Definición de un modelo para representar el entorno dinámico del robot, llamado Dynamic Obstacle Velocity-Time Space (DOVTS). En este modelo aparecen representadas las velocidades permitidas y prohibidas para que el robot evite las colisiones con los obstáculos de alrededor. Este modelo puede ser utilizado por algoritmos de navegación ya existentes, y sirve de base para las nuevas técnicas de navegación desarrolladas en la tesis y explicadas en los siguientes puntos. • Desarrollo de una técnica de planificación y navegación basada en el modelo DOVTS. En este modelo se identifica un conjunto de situaciones relativas entre el robot y los obstáculos. A cada situación se asocia una estrategia de navegación, que considera la seguridad del robot para evitar colisiones, a la vez que intenta minimizar el tiempo al objetivo. • Implementación de una técnica de planificación y navegación basada en el modelo DOVTS, que utiliza explícitamente la información del tiempo para la planificación del movimiento. Se desarrolla un algoritmo A*-like que planifica los movimientos de los siguientes instantes, incrementando la maniobrabilidad del robot para la evitación de obstáculos respecto al método del anterior punto, a costa de un mayor tiempo de cómputo. Se analizan las diferencias en el comportamiento global del robot con respecto a la técnica anterior. Los diferentes aspectos que se han investigado en esta tesis tratan de avanzar en el objetivo de conseguir robots autónomos que puedan adaptarse a nuestra vida cotidiana en escenarios que son típicamente dinámicos de una forma natural y segura.