Door State Estimation for a Mobile Household Robot

Zahvaljujoč tehnološkemu napredku in izboljšavam na različnih področjih se mobilna robotika v zadnjih letih pospešeno razvija. Vedno več mobilnih robotov je prisotnih v človeškem okolju, kjer opravljajo različna dela in nudijo pomoč v skladiščih, trgovinah, transportu, pri nadzoru, dostavi itd. Počasi in vztrajno se mobilni roboti prebijajo tudi v domove in gospodinjstva, kjer opravljajo preprosta opravila, kot je recimo čiščenje, ali pa nudijo zabavo in storitve podprte z multimedijskimi vsebinami. Temeljna funkcija mobilnih gospodinjskih robotov je avtonomna vožnja po stanovanju. Pri prehodu iz ene sobe v drugo se stalno soočajo s prečkanjem vrat. Robustno prečkanje vrat je pomemben del avtonomne vožnje po stanovanju. Prvi korak pri uspešnem prečkanju vrat je ocenjevanje stanja vrat. Robot mora na podlagi opremljenih senzorjev oceniti v kolikšni meri so vrata odprta. Obravnava problema ocenjevanja stanja vrat je osrednja tema tega magistrskega dela. Da se mobilni robot lahko samostojno lokalizira in premika v okolju ter se ob tem še izmika oviram, mora biti primerno opremljen s senzorji za zaznavo okolice. Običajno so mobilni roboti opremljeni s senzorji razdalje, ki izmerijo oddaljenost senzorja od predmeta, ki leži nasproti. Primer takšnih senzorjev je dvodimenzionalni laserski skener. Naš cilj je izkoristiti meritve dvodimenzionalnega laserskega senzorja za namen ocenjevanja stanja vrat. Algoritem za ocenjevanje stanja vrat razvit v sklopu tega magistrskega dela je osnovan na sledečih dveh predpostavkah: robot je lokaliziran v okolju in znani so statični parametri vrat. Algoritem analizira laserske žarke, ki prečkajo področje, kjer se nahajajo vrata, in na podlagi glasovanja določi najboljšo oceno za kot odprtja vrat. Poleg ocene kota algoritem poda še stopnjo zaupanja v dani rezultat. Podrobnejši opis algoritma se nahaja v tretjem poglavju. Implementacija algoritma je izvedena za delovanje v okolju operacijskega sistema ROS (kratica izhaja iz polnega imena Robotic Operating System – Robotski operacijski sistem), ki vključuje številna orodja, ki olajšajo razvoj mobilnih robotov. Več o podrobnostih in prednostih operacijskega sistema ROS sledi v četrtem poglavju. V okviru magistrskega dela je bil izdelan konceptni gospodinjski robot, na katerem se bila opravljena testiranja algoritmov. Osnova robota je mobilna platforma z vsesmernim pogonom (angl. omni-directional drive), ki omogoča premikanje v vseh smereh na podlagi (levo, desno, naprej, nazaj) ter vrtenje na mestu. Robot je opremljen z dvodimenzionalnim laserskim skenerjem in štirimi ultrazvočnimi senzorji razdalje za zaznavo okolice. Natančen opis strukture robota in strojne opreme je podan v četrtem poglavju. Testiranje razvitih algoritmov je potekalo v simulacijskem in realnem okolju. Rezultati testiranja kažejo, da algoritem za ocenjevanje stanja vrat poda natančno oceno kota, s katerim so vrata odprta v pogojih, ko so vrata dobro vidna v meritvah dvodimenzionalnega laserskega skenerja. Testiranja kažejo tudi, da algoritem ločuje med vrati in številnimi ovirami, ki so postavljene med vrata. Opravljene so bile tudi meritve računskega časa, ki ga porabi računalnik za izvedbo razvitega algoritma. Računski čas je krajši od časa vzorčenja dveh zaporednih meritev laserskega skenerja, ki je edina realno-časna omejitev, ki smo si jo zastavili. Poleg ocenjevanja stanja vrat je robot tudi sposoben zgraditi zemljevid okolja (angl. environment mapping) in avtonomno navigirati v okolju. Programske komponente, ki omogočajo to funkcionalnost, so zagotovljene s strani operacijskega sistema ROS. Testiranje programske opreme je zajemalo tudi grajenje zemljevida okolja in izvajanje avtonomne navigacije. Rezultati teh dveh komponent, predstavljenih v petem poglavju, so zadovoljivi. Struktura tega magistrskega dela je naslednja. V prvem poglavju (Introduction) se nahaja kratek uvod, ki pojasni namen in tematiko magistrskega dela. V drugem poglavju (Mobile Robots) sledi kratek pregled področja mobilne robotike z opisom glavnih izzivov, s katerimi se soočajo mobilni roboti. Tretje poglavje (Door State Estimation) se osredotoča na teoretične podrobnosti ocenjevanja stanja vrat. Podrobnejše so opisani in razloženi dani problem, zahteve in predpostavke ter razviti algoritem za ocenjevanje stanja vrat. V četrtem poglavju (Implementation) sledi opis praktičnega dela, ki je bilo izvedeno v sklopu magistrskega dela. Predstavljeni so strojna oprema in zgradba dejanskega robota, uporabljen robotski simulator ter arhitektura programske opreme. V petem poglavju (Validation) se nahaja predstavitev testiranja razvite programske opreme. Podani so opisi izvedenih eksperimentov skupaj z rezultati in njihovim vrednotenjem. V zadnjem poglavju (Conclusion) se nahaja povzetek celotnega magistrskega dela in dobljenih rezultatov ter predlogi za izboljšave in nadaljnjo delo.A core task of a domestic mobile robot is the ability to autonomously navigate in the household environment. Crossing through doors is a common subtask of such robots. The first step of door crossing is the estimation of the door state. This thesis addresses the door state estimation problem. It presents an approach for estimating the door opening angle of a hinged door based on the horizontal laser scanner. The approach assumes that the robot is localized in the environment and that static door parameters (such as the hinge position in the static map, door opening direction and door width) are known. Laser beams that cross the door area are used in a voting scheme to determine the best door angle estimate. The output of the developed algorithm is the estimated door angle and a confidence level of the estimation. The thesis also validates the developed door state estimation algorithm with experiments which show promising results under the previously mentioned assumptions