Candidato: Alessandro Dionisi Relatore: Prof. Luca Iocchi Facoltà di Ingegneria Tesi di Laurea Specialistica in  Ingegneri...
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<ul><li>Robotica mobile </li></ul><ul><ul><li>Ambiente domestico </li></ul></ul><ul><ul><li>Operazioni di soccorso </li></...
<ul><li>Selezionare una piattaforma hardware/software per WSN </li></ul><ul><li>Sperimentazione sulla piattaforma scelta <...
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<ul><li>Il dispositivo ZigBee può avere due funzioni principali: </li></ul><ul><ul><li>Può segnalare punti di interesse pe...
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<ul><li>A partire dalle considerazioni fatte, è stato realizzato un algoritmo euristico, che si basa sul LQI per la scelta...
<ul><li>L’ambiente viene discretizzato in celle. Nella celle dove transita il robot, viene salvato il valore del LQI  </li...
<ul><li>Introduzione  </li></ul><ul><li>Esplorazione autonoma </li></ul><ul><li>L’algoritmo di esplorazione </li></ul><ul>...
Esempio in simulazione (1/3) Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi Dipartimento di...
Esempio in simulazione (2/3) Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi
Esempio in simulazione (3/3) Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi Percorso di esp...
Esempio in ambiente reale <ul><li>Tempo impiegato per la ricerca:  8’30’’ </li></ul><ul><li>Tempo impiegato conoscendo già...
<ul><li>Introduzione  </li></ul><ul><li>Esplorazione autonoma </li></ul><ul><li>L’algoritmo di esplorazione </li></ul><ul>...
<ul><li>Dopo un’attenta fase di studio presso  è stato deciso l’impiego dello standard per WSN  ZigBee </li></ul><ul><ul><...
<ul><li>Basata sul SiP MC13213 di Freescale  </li></ul>Piattaforma hardware Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispos...
<ul><li>Secondo l’equazione di Friis per la propagazione: </li></ul><ul><li>Conoscendo la  potenza del segnale ricevuto  è...
<ul><li>Nodi disposti in visibilità a 50 cm dal suolo e a distanze tra 1 e 20 m, inviando 50 pacchetti per ogni posizione ...
<ul><li>Stessa configurazione rispetto al caso outdoor, campionando in modo abbastanza regolare l’ambiente (un’abitazione)...
<ul><li>Test effettuati con lo scopo di verificare l’andamento del LQI in condizioni dinamiche, posizionando il nodo Rx su...
<ul><li>Introduzione  </li></ul><ul><li>Esplorazione autonoma </li></ul><ul><li>L’algoritmo di esplorazione </li></ul><ul>...
<ul><li>Con l’approccio presentato la scelta delle frontiere di esplorazione non si basa su strategie greedy  [Yam98,MTK,S...
<ul><li>L’approccio può essere impiegato in diversi scenari: </li></ul><ul><ul><li>Search & Rescue  [ BCC+04]  </li></ul><...
<ul><li>Possibili miglioramenti all’algoritmo di esplorazione </li></ul><ul><ul><li>Raffinare l’euristica per il calcolo d...
<ul><li>[MFA07]  Guoqiang Mao, Bars Fidan and Brian D. O. Anderson. Wireless Sensor  Network Localization Techniques. Comp...
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Alessandro Dionisi Thesis Presentation

  1. 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. 2. <ul><li>Introduzione </li></ul><ul><li>Esplorazione autonoma </li></ul><ul><li>L’algoritmo di esplorazione </li></ul><ul><li>Sperimentazione </li></ul><ul><li>Analisi della qualità del segnale su dispositivi ZigBee </li></ul><ul><li>Conclusioni e sviluppi futuri </li></ul>Sommario Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi
  3. 3. <ul><li>Introduzione </li></ul><ul><li>Esplorazione autonoma </li></ul><ul><li>L’algoritmo di esplorazione </li></ul><ul><li>Sperimentazione </li></ul><ul><li>Analisi della qualità del segnale su dispositivi ZigBee </li></ul><ul><li>Conclusioni e sviluppi futuri </li></ul>Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi
  4. 4. <ul><li>Robotica mobile </li></ul><ul><ul><li>Ambiente domestico </li></ul></ul><ul><ul><li>Operazioni di soccorso </li></ul></ul><ul><ul><li>Sorveglianza </li></ul></ul><ul><ul><li>Esplorazioni in condizioni estreme </li></ul></ul><ul><li>W ireless S ensor N etwork (WSN) </li></ul><ul><ul><li>Transceiver + microcontrollore + batteria </li></ul></ul><ul><ul><li>Basso costo, autorganizzazione </li></ul></ul><ul><ul><li>Monitoraggio, telemedicina, domotica </li></ul></ul>Ambito di interesse Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi Localizzazione dei nodi? [MFA07]
  5. 5. <ul><li>Selezionare una piattaforma hardware/software per WSN </li></ul><ul><li>Sperimentazione sulla piattaforma scelta </li></ul><ul><li>Integrazione di sistemi di robotica mobile con le potenzialità offerte dalle WSN, mediante un'applicazione di supporto alla localizzazione </li></ul><ul><li>Test del sistema realizzato in simulazione e in ambiente reale </li></ul>Obiettivi della tesi Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi
  6. 6. <ul><li>Introduzione </li></ul><ul><li>Esplorazione autonoma </li></ul><ul><li>L’algoritmo di esplorazione </li></ul><ul><li>Sperimentazione </li></ul><ul><li>Analisi della qualità del segnale su dispositivi ZigBee </li></ul><ul><li>Conclusioni e sviluppi futuri </li></ul>Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi
  7. 7. <ul><li>Il robot sceglie autonomamente le aree da esplorare, incrementando la conoscenza del mondo </li></ul><ul><ul><li>Costruzione di mappe ( Mapping ) </li></ul></ul><ul><ul><li>Ricerca di zone di interesse ( Search ) </li></ul></ul><ul><li>“ Per massimizzare la conoscenza del mondo, spostati al confine tra spazio noto e inesplorato ” [Yam98] </li></ul><ul><ul><li>Esplorazione basata sul concetto di frontiera </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Trovate mediante laser scanner o sonar </li></ul></ul></ul><ul><li>In molti approcci la ricerca è cieca </li></ul><ul><ul><li>Scelta casuale o greedy della frontiera [Yam98, MTK, SB03 ,BMF + 00] </li></ul></ul>Esplorazione autonoma Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi
  8. 8. <ul><li>Tale informazione è rappresentata dal Link Quality Indicator (LQI) , un valore riportato in ogni pacchetto dello standard per reti di sensori ZigBee </li></ul><ul><li>Assume valori tra 0 e 255 , fornendo un’indicazione della qualità del collegamento tra trasmettitore e ricevitore </li></ul>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. 9. <ul><li>Il dispositivo ZigBee può avere due funzioni principali: </li></ul><ul><ul><li>Può segnalare punti di interesse per l’esplorazione dell’ambiente </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Trasmette periodicamente un messaggio di tipo beacon </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>A bordo del robot, ha la funzione di un “sensore di prossimità” </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>E’ in grado ricevere i beacon ed estrarre il LQI per ogni messaggio </li></ul></ul></ul>Ruoli dei dispositivi Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi
  10. 10. <ul><li>Introduzione </li></ul><ul><li>Esplorazione autonoma </li></ul><ul><li>L’algoritmo di esplorazione </li></ul><ul><li>Sperimentazione </li></ul><ul><li>Analisi della qualità del segnale su dispositivi ZigBee </li></ul><ul><li>Conclusioni e sviluppi futuri </li></ul>Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi
  11. 11. <ul><li>A partire dalle considerazioni fatte, è stato realizzato un algoritmo euristico, che si basa sul LQI per la scelta della frontiera ad ogni passo </li></ul><ul><li>Esso utilizza moduli software di esplorazione autonoma, realizzati per il framework SPQR-RDK </li></ul>Descrizione dell’algoritmo (1/2) Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi
  12. 12. <ul><li>L’ambiente viene discretizzato in celle. Nella celle dove transita il robot, viene salvato il valore del LQI </li></ul><ul><li>Viene assegnato un punteggio ( score ) ad ogni frontiera disponibile </li></ul><ul><li>Lo score è calcolato considerando: </li></ul><ul><ul><li>Un intervallo di valori LQI, a distanza minDist + ∆ </li></ul></ul><ul><ul><li>La distanza euclidea dalla frontiera </li></ul></ul>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. 13. <ul><li>Introduzione </li></ul><ul><li>Esplorazione autonoma </li></ul><ul><li>L’algoritmo di esplorazione </li></ul><ul><li>Sperimentazione </li></ul><ul><li>Analisi della qualità del segnale su dispositivi ZigBee </li></ul><ul><li>Conclusioni e sviluppi futuri </li></ul>Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi
  14. 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. 15. Esempio in simulazione (2/3) Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi
  16. 16. Esempio in simulazione (3/3) Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi Percorso di esplorazione effettuato dal robot
  17. 17. Esempio in ambiente reale <ul><li>Tempo impiegato per la ricerca: 8’30’’ </li></ul><ul><li>Tempo impiegato conoscendo già l’obiettivo: 3’27’’ </li></ul>Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi
  18. 18. <ul><li>Introduzione </li></ul><ul><li>Esplorazione autonoma </li></ul><ul><li>L’algoritmo di esplorazione </li></ul><ul><li>Sperimentazione </li></ul><ul><li>Analisi della qualità del segnale su dispositivi ZigBee </li></ul><ul><li>Conclusioni e sviluppi futuri </li></ul>Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi
  19. 19. <ul><li>Dopo un’attenta fase di studio presso è stato deciso l’impiego dello standard per WSN ZigBee </li></ul><ul><ul><li>Bassi costi e ottima autonomia energetica </li></ul></ul><ul><ul><li>Possibilità di creare reti mesh (routing) </li></ul></ul><ul><li>Specifiche </li></ul><ul><ul><li>Basato sullo standard IEEE 802.15.4 </li></ul></ul><ul><ul><li>Banda ISM - 2.4 GHz </li></ul></ul><ul><ul><li>Potenza massima 0 dBm (1 mW) </li></ul></ul><ul><ul><li>Bassi data rate (≈ 250 kbps) </li></ul></ul><ul><ul><li>Range trasmissivi: 30 m (Indoor), 120 m (Line-of-Sight) </li></ul></ul>Lo standard ZigBee Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi
  20. 20. <ul><li>Basata sul SiP MC13213 di Freescale </li></ul>Piattaforma hardware Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi Diagramma di radiazione uniforme [Sem06] F-Antenna
  21. 21. <ul><li>Secondo l’equazione di Friis per la propagazione: </li></ul><ul><li>Conoscendo la potenza del segnale ricevuto è possibile stimare la distanza tra trasmettitore e ricevitore </li></ul><ul><ul><li>Informazione facilmente ricavabile in ogni dispositivo </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Nei dispositivi utilizzati corrisponde con il LQI </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Dato rumoroso, a causa di fenomeni fisici come attenuazione e multipath </li></ul></ul><ul><ul><li>In ambienti indoor è difficile correlare direttamente la potenza ricevuta alla distanza </li></ul></ul>Cosa rappresenta il LQI? Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi
  22. 22. <ul><li>Nodi disposti in visibilità a 50 cm dal suolo e a distanze tra 1 e 20 m, inviando 50 pacchetti per ogni posizione </li></ul>Ambiente outdoor Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi <ul><li>Osservazioni: </li></ul><ul><li>Si ritrovano i risultati visti nella teoria </li></ul><ul><li>All’aumentare della distanza, aumenta la varianza </li></ul><ul><li>Strano comportamento intorno ai 4 m, dovuto a non linearità nel circuito Rx </li></ul>
  23. 23. <ul><li>Stessa configurazione rispetto al caso outdoor, campionando in modo abbastanza regolare l’ambiente (un’abitazione) </li></ul>Ambiente indoor (1/2) Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi <ul><li>Osservazioni: </li></ul><ul><li>Il LQI è difficilmente correlabile alla distanza </li></ul><ul><li>Presenza di rilevazioni anomale </li></ul><ul><li>I valori riportati possono comunque dare una indicazione qualitativa di quanto si è prossimi alla sorgente del segnale </li></ul>Tx Rx
  24. 24. <ul><li>Test effettuati con lo scopo di verificare l’andamento del LQI in condizioni dinamiche, posizionando il nodo Rx su un robot mobile </li></ul>Ambiente indoor (2/2) Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi Tx Rx
  25. 25. <ul><li>Introduzione </li></ul><ul><li>Esplorazione autonoma </li></ul><ul><li>L’algoritmo di esplorazione </li></ul><ul><li>Sperimentazione </li></ul><ul><li>Analisi della qualità del segnale su dispositivi ZigBee </li></ul><ul><li>Conclusioni e sviluppi futuri </li></ul>Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi
  26. 26. <ul><li>Con l’approccio presentato la scelta delle frontiere di esplorazione non si basa su strategie greedy [Yam98,MTK,SB03,BMF + 00] </li></ul><ul><li>La ricerca cieca diventa informata </li></ul>Risultati ottenuti (1/2) Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi E’ possibile ridurre notevolmente lo spazio di ricerca <ul><li>Diminuzione dei tempi necessari per trovare l’obiettivo </li></ul><ul><li>Aumento dell’autonomia energetica del robot </li></ul>Sperimentazione dell’algoritmo in ambienti indoor semistrutturati , sia in simulazione (piattaforma Player/Stage) che in ambiente reale (robot del SIED “Rotolotto”)
  27. 27. <ul><li>L’approccio può essere impiegato in diversi scenari: </li></ul><ul><ul><li>Search & Rescue [ BCC+04] </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>I dispositivi ZigBee possono segnalare feriti, punti di raccolta, altri robot </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Deployment di reti ad-hoc [HMS02] </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><li>In questo caso occorre cercare le zone con LQI più basso </li></ul></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><ul><li>Permette il controllo e monitoraggio di operatori esterni </li></ul></ul></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><ul><li>Consente di mantenere le comunicazioni tra gruppi di robot distanti </li></ul></ul></ul></ul></ul><ul><ul><li>Rendezvous [DR97] </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Diversi robot cercano di raggiungere un landmark , indicato da un nodo </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Sorveglianza [HBB+00] </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>I nodi possono individuare il luogo dove l’allarme si è verificato </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Non è necessario mantenere traccia (ad es. su una mappa) delle zone da sorvegliare </li></ul></ul></ul>Risultati ottenuti (2/2) Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi
  28. 28. <ul><li>Possibili miglioramenti all’algoritmo di esplorazione </li></ul><ul><ul><li>Raffinare l’euristica per il calcolo degli score </li></ul></ul><ul><ul><li>Interrompere in anticipo la navigazione del robot verso la frontiera, se il LQI decresce eccessivamente </li></ul></ul><ul><li>L’algoritmo implementato risolve un problema base </li></ul><ul><ul><li>Considerare informazioni topologiche sull’ambiente </li></ul></ul><ul><ul><li>Estensione a scenari multi-robot </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Esplorazione coordinata </li></ul></ul></ul>Sviluppi futuri Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi
  29. 29. <ul><li>[MFA07] Guoqiang Mao, Bars Fidan and Brian D. O. Anderson. Wireless Sensor Network Localization Techniques. Computer Networks, 51(10):2529-2553, 2007. </li></ul><ul><li>[Yam97] Brian Yamauchi. A Frontier-Based Approach for Autonomous Exploration. In Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation , 1997. </li></ul><ul><li>[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. </li></ul><ul><li>[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. </li></ul><ul><li>[MTK] Apurva Mudgal, Craig Tovey, and Sven Koenig. Analysis of Greedy Robot- Navigation Methods. </li></ul><ul><li>[Sem06] Freescale Semiconductors. Compact Integrated Antennas Designs and Applications for the MC1319x, MC1320x, and MC1321x, 2006. http: //www.freescale.com . </li></ul><ul><li>[Rap01] Theodore Rappaport. Wireless Communications: Principles and Practice. Prentice Hall, 2001. </li></ul><ul><li>[DR97] Gregory Dudek and Nicholas Roy. Multi-Robot Rendezvous in Unknown Environments. In Proceedings of International Conference on Articial Intelligence , 1997. </li></ul><ul><li>[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. </li></ul><ul><li>[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. </li></ul><ul><li>[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. </li></ul>Bibliografia Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi

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