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Alessandro Dionisi Thesis Presentation

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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 Facoltà di Ingegneria Tesi di Laurea Specialistica in Ingegneria Informatica “ Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee” 20 maggio 2008 A.A. 2006/2007
  • 2.
    • Introduzione
    • Esplorazione autonoma
    • L’algoritmo di esplorazione
    • Sperimentazione
    • Analisi della qualità del segnale su dispositivi ZigBee
    • Conclusioni e sviluppi futuri
    Sommario Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi
  • 3.
    • Introduzione
    • Esplorazione autonoma
    • L’algoritmo di esplorazione
    • Sperimentazione
    • Analisi della qualità del segnale su dispositivi ZigBee
    • 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 ireless S ensor N 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 potenzialità offerte dalle WSN, mediante un'applicazione di supporto alla localizzazione
    • 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
    • L’algoritmo di esplorazione
    • Sperimentazione
    • Analisi della qualità del segnale su dispositivi ZigBee
    • 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 di frontiera
        • Trovate mediante laser scanner o sonar
    • In molti approcci la ricerca è cieca
      • Scelta casuale o greedy della frontiera [Yam98, MTK, SB03 ,BMF + 00]
    Esplorazione autonoma Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi
  • 8.
    • Tale informazione è rappresentata dal Link Quality Indicator (LQI) , un valore riportato in ogni pacchetto dello standard per reti di sensori ZigBee
    • Assume valori tra 0 e 255 , fornendo un’indicazione della qualità 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 l’esplorazione autonoma in aree sconosciute
  • 9.
    • Il dispositivo ZigBee può avere due funzioni principali:
      • Può segnalare punti di interesse per l’esplorazione dell’ambiente
        • Trasmette periodicamente un messaggio di tipo beacon
      • A bordo del robot, ha la funzione di un “sensore di prossimità”
        • 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
    • L’algoritmo di esplorazione
    • Sperimentazione
    • Analisi della qualità del segnale su dispositivi ZigBee
    • Conclusioni e sviluppi futuri
    Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi
  • 11.
    • A partire dalle considerazioni fatte, è 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 framework SPQR-RDK
    Descrizione dell’algoritmo (1/2) Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi
  • 12.
    • L’ambiente 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 è calcolato considerando:
      • Un intervallo di valori LQI, a distanza minDist + ∆
      • La distanza euclidea dalla frontiera
    Descrizione dell’algoritmo (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 più alto Score: F 1 =167.36 F 2 =137.08
  • 13.
    • Introduzione
    • Esplorazione autonoma
    • L’algoritmo di esplorazione
    • Sperimentazione
    • Analisi della qualità del segnale su dispositivi ZigBee
    • 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: 8’30’’
    • Tempo impiegato conoscendo già l’obiettivo: 3’27’’
    Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi
  • 18.
    • Introduzione
    • Esplorazione autonoma
    • L’algoritmo di esplorazione
    • Sperimentazione
    • Analisi della qualità del segnale su dispositivi ZigBee
    • Conclusioni e sviluppi futuri
    Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi
  • 19.
    • Dopo un’attenta fase di studio presso è stato deciso l’impiego dello standard per WSN ZigBee
      • Bassi costi e ottima autonomia energetica
      • Possibilità 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 l’equazione di Friis per la propagazione:
    • Conoscendo la potenza del segnale ricevuto è possibile stimare la distanza tra trasmettitore e ricevitore
      • Informazione facilmente ricavabile in ogni dispositivo
        • Nei dispositivi utilizzati corrisponde con il LQI
      • Dato rumoroso, a causa di fenomeni fisici come attenuazione e multipath
      • In ambienti indoor è 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 visibilità 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
    • All’aumentare della distanza, aumenta la varianza
    • Strano comportamento intorno ai 4 m, dovuto a non linearità nel circuito Rx
  • 23.
    • Stessa configurazione rispetto al caso outdoor, campionando in modo abbastanza regolare l’ambiente (un’abitazione)
    Ambiente indoor (1/2) Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi
    • Osservazioni:
    • Il LQI è difficilmente correlabile alla distanza
    • Presenza di rilevazioni anomale
    • I valori riportati possono comunque dare una indicazione qualitativa di quanto si è prossimi alla sorgente del segnale
    Tx Rx
  • 24.
    • Test effettuati con lo scopo di verificare l’andamento 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
    • L’algoritmo di esplorazione
    • Sperimentazione
    • Analisi della qualità del segnale su dispositivi ZigBee
    • Conclusioni e sviluppi futuri
    Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi
  • 26.
    • Con l’approccio 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 l’obiettivo
    • Aumento dell’autonomia energetica del robot
    Sperimentazione dell’algoritmo in ambienti indoor semistrutturati , sia in simulazione (piattaforma Player/Stage) che in ambiente reale (robot del SIED “Rotolotto”)
  • 27.
    • L’approccio può 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 più 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 un landmark , indicato da un nodo
      • Sorveglianza [HBB+00]
        • I nodi possono individuare il luogo dove l’allarme si è verificato
        • Non è 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 all’algoritmo di esplorazione
      • Raffinare l’euristica per il calcolo degli score
      • Interrompere in anticipo la navigazione del robot verso la frontiera, se il LQI decresce eccessivamente
    • L’algoritmo implementato risolve un problema base
      • Considerare informazioni topologiche sull’ambiente
      • 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 Sensor Network Localization Techniques. Computer Networks, 51(10):2529-2553, 2007.
    • [Yam97] Brian Yamauchi. A Frontier-Based Approach for Autonomous Exploration. In Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation , 1997.
    • [BMF + 00] W. Burgard, M. Moors, D. Fox, R. Simmons, and S. Thrun. Collaborative Multi-Robot Exploration. In Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2000.
    • [SB03] C. Stachniss and W. Burgard. Exploring Unknown Environments with Mobile Robots using Coverage Maps. In Proceedings of the International Conference on Articial Intelligence , 2003.
    • [MTK] Apurva Mudgal, Craig Tovey, and Sven Koenig. Analysis of Greedy Robot- Navigation Methods.
    • [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 of International Conference on Articial Intelligence , 1997.
    • [BCC+04] S. Bahadori, D. Calisi, A. Censi, A. Farinelli, G. Grisetti, L. Iocchi, and D. Nardi. Intelligent Systems for Search and Rescue. In Proceedings of Intelligent Robots and Systems Workshop Urban 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 IEEE International 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