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...
Κύριος συγγραφέας: | |
---|---|
Άλλοι συγγραφείς: | |
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 |