Decentralized exploration and map building with multiple autonomous UAVs

As the autonomy and AI technologies are evolving, the challenges in developing com- plete autonomous missions remain, especially in extreme environments with perceptual degradation, difficult terrain, high-risk operations and so on. The focus of this Master Thesis is towards identifying the key m...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Σταθουλόπουλος, Νικόλαος
Άλλοι συγγραφείς: Stathoulopoulos, Nikolaos
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2022
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:https://hdl.handle.net/10889/23915
id nemertes-10889-23915
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Multi-robot control
Exploration
Global localization
Map merging
3D point cloud
Cescriptors
Πολλαπλά ρομπότ
Εξερεύνηση
Καθολική επανατοποθέτηση
Συγχώνευση χαρτών
Περιγραφικά διανύσματα
3D νέφη σημείων
spellingShingle Multi-robot control
Exploration
Global localization
Map merging
3D point cloud
Cescriptors
Πολλαπλά ρομπότ
Εξερεύνηση
Καθολική επανατοποθέτηση
Συγχώνευση χαρτών
Περιγραφικά διανύσματα
3D νέφη σημείων
Σταθουλόπουλος, Νικόλαος
Decentralized exploration and map building with multiple autonomous UAVs
description As the autonomy and AI technologies are evolving, the challenges in developing com- plete autonomous missions remain, especially in extreme environments with perceptual degradation, difficult terrain, high-risk operations and so on. The focus of this Master Thesis is towards identifying the key modules used for autonomous exploration and map building with multiple UAVs, and developing important modules that are currently miss- ing or under-perform in extreme environment scenarios. First, we define a simple decent- ralized scheme and then move on to discussing the problem of localization and mapping, as well as our choice of algorithm. During this step, we also present an experimental eval- uation and a thorough analysis, that highlights the need of a robust global re-localization algorithm in featureless and GPS-denied environments. Our proposed framework relies on descriptors extracted through a Siamese Neural Network, that are used for place re- cognition and yaw regression, yielding a 4DoF transform. Afterwards, we briefly present the choice of the autonomy framework along with a path planning algorithm. The path planner provides a trajectory based on the local map and the autonomy framework is re- sponsible for autonomously following the reference trajectory while avoiding collisions, identifying objects and so on. Last but not least, we propose a novel framework for ad- dressing the problem of merging 3D point cloud maps, as it is a module missing from the current literature. The ability to merge multiple maps during multi-robot exploration is of high importance as it provides the path planner with a global map and therefore increasing the efficiency of the algorithm.
author2 Stathoulopoulos, Nikolaos
author_facet Stathoulopoulos, Nikolaos
Σταθουλόπουλος, Νικόλαος
author Σταθουλόπουλος, Νικόλαος
author_sort Σταθουλόπουλος, Νικόλαος
title Decentralized exploration and map building with multiple autonomous UAVs
title_short Decentralized exploration and map building with multiple autonomous UAVs
title_full Decentralized exploration and map building with multiple autonomous UAVs
title_fullStr Decentralized exploration and map building with multiple autonomous UAVs
title_full_unstemmed Decentralized exploration and map building with multiple autonomous UAVs
title_sort decentralized exploration and map building with multiple autonomous uavs
publishDate 2022
url https://hdl.handle.net/10889/23915
work_keys_str_mv AT stathoulopoulosnikolaos decentralizedexplorationandmapbuildingwithmultipleautonomousuavs
AT stathoulopoulosnikolaos apokentrōmenēexereunēsēkaikataskeuēchartōnmepollaplaautonomauavs
_version_ 1771297303429120000
spelling nemertes-10889-239152022-11-15T04:37:16Z Decentralized exploration and map building with multiple autonomous UAVs Αποκεντρωμένη εξερεύνηση και κατασκευή χαρτών με πολλαπλά αυτόνομα UAVs Σταθουλόπουλος, Νικόλαος Stathoulopoulos, Nikolaos Multi-robot control Exploration Global localization Map merging 3D point cloud Cescriptors Πολλαπλά ρομπότ Εξερεύνηση Καθολική επανατοποθέτηση Συγχώνευση χαρτών Περιγραφικά διανύσματα 3D νέφη σημείων As the autonomy and AI technologies are evolving, the challenges in developing com- plete autonomous missions remain, especially in extreme environments with perceptual degradation, difficult terrain, high-risk operations and so on. The focus of this Master Thesis is towards identifying the key modules used for autonomous exploration and map building with multiple UAVs, and developing important modules that are currently miss- ing or under-perform in extreme environment scenarios. First, we define a simple decent- ralized scheme and then move on to discussing the problem of localization and mapping, as well as our choice of algorithm. During this step, we also present an experimental eval- uation and a thorough analysis, that highlights the need of a robust global re-localization algorithm in featureless and GPS-denied environments. Our proposed framework relies on descriptors extracted through a Siamese Neural Network, that are used for place re- cognition and yaw regression, yielding a 4DoF transform. Afterwards, we briefly present the choice of the autonomy framework along with a path planning algorithm. The path planner provides a trajectory based on the local map and the autonomy framework is re- sponsible for autonomously following the reference trajectory while avoiding collisions, identifying objects and so on. Last but not least, we propose a novel framework for ad- dressing the problem of merging 3D point cloud maps, as it is a module missing from the current literature. The ability to merge multiple maps during multi-robot exploration is of high importance as it provides the path planner with a global map and therefore increasing the efficiency of the algorithm. Καθώς η αυτονομία και οι τεχνολογίες της τεχνητής νοημοσύνης εξελίσσονται, οι προκλήσεις για την ανάπτυξη πλήρων αυτόνομων αποστολών παραμένουν, ει- δικά σε δύσκολα περιβάλλοντα με υποβαθμισμένη αντιληπτική ικανότητα, ανώμαλο έδαφος, αποστολές υψηλού κινδύνου κ.λπ. Το επίκεντρο αυτής της μεταπτυχιακής διατριβής είναι στον εντοπισμό των βασικών μονάδων που χρησιμοποιούνται για την αυτόνομη εξερεύνηση και κατασκευή χαρτών με πολλαπλά UAV και στην ανάπτυξη σημαντικών ενοτήτων που λείπουν επί του παρόντος ή υπολειτουργούν σε σενάρια ακραίου περιβάλλοντος. Αρχικά, ορίζουμε ένα απλό αποκεντρωμένο σχήμα και στη συνέχεια προχωράμε στη συζήτηση του προβλήματος του προσανατολισμού και της χαρτογράφησης, καθώς και στην επιλογή του αλγορίθμου μας. Κατά τη διάρκεια αυτού του βήματος, παρουσιάζουμε επίσης μια πειραματική αξιολόγηση και μια ενδελεχή ανάλυση, που υπογραμμίζει την ανάγκη για έναν σθεναρό αλγόριθμο επα- νατοποθέτησης σε χάρτη, σε περιβάλλοντα χωρίς χαρακτηριστικά και χωρίς GPS. Το προτεινόμενο πλαίσιο βασίζεται σε περιγραφείς που εξάγονται μέσω ενός σιαμαίου νευρωνικού δικτύου, οι οποίοι χρησιμοποιούνται για την αναγνώριση θέσης και τη μείωση της διαφοράς γωνίας, αποδίδοντας έναν μετασχηματισμό 4DoF. Στη συνέχεια, παρουσιάζουμε συνοπτικά την επιλογή του πλαισίου αυτονομίας μαζί με έναν αλ- γόριθμο σχεδιασμού διαδρομής. Ο σχεδιαστής διαδρομής παρέχει μια τροχιά με βάση τον τοπικό χάρτη και το πλαίσιο αυτονομίας είναι υπεύθυνο για την αυτόνομη πα- ρακολούθηση της τροχιάς αναφοράς, αποφεύγοντας τις συγκρούσεις, τον εντοπισμό αντικειμένων κ.λπ. Τελευταίο αλλά εξίσου σημαντικό, προτείνουμε ένα νέο πλαίσιο για την αντιμετώπιση του προβλήματος της συγχώνευσης τρισδιάστατων χαρτών σημείων, καθώς είναι μια ενότητα που λείπει από την τρέχουσα βιβλιογραφία. Η δυνατότητα συγχώνευσης πολλαπλών χαρτών κατά την εξερεύνηση πολλαπλών ρομπότ είναι μεγάλης σημασίας, καθώς παρέχει στον σχεδιαστή διαδρομής έναν κοινό χάρτη και επομένως αυξάνει την αποτελεσματικότητα του αλγορίθμου. 2022-11-14T10:42:03Z 2022-11-14T10:42:03Z 2022-07-06 https://hdl.handle.net/10889/23915 en application/pdf