Improving perception and locomotion capabilities of mobile robots in urban search and rescue missions

Nasazení mobilních robotů během zásahů záchranných složek je způsob, jak učinit práci záchranářů bezpečnější a efektivnější. Na roboty jsou ale při takovém použití kladeny vyšší nároky kvůli podmínkám, které při těchto událostech panují. Roboty se musejí pohybovat po nestabilních površích, ve stísněných prostorech nebo v kouři a prachu, což ztěžuje použití některých senzorů. Lokalizace, v robotice běžná úloha spočívající v určení polohy robotu vůči danému souřadnému systému, musí spolehlivě fungovat i za těchto ztížených podmínek. V této dizertační práci popisujeme vývoj lokalizačního systému pásového mobilního robotu, který je určen pro nasazení v případě zemětřesení nebo průmyslové havárie. Nejprve je předveden lokalizační systém, který vychází pouze z měření proprioceptivních senzorů a který vyvstal jako nejlepší varianta při porovnání několika možných uspořádání takového systému. Lokalizace je poté zpřesněna přidáním měření exteroceptivních senzorů, které zpomalují kumulaci nejistoty určení polohy robotu. Zvláštní pozornost je věnována možným výpadkům jednotlivých senzorických modalit, prokluzům pásů, které u tohoto typu robotů nevyhnutelně nastávají, výpočetním nárokům lokalizačního systému a rozdílným vzorkovacím frekvencím jednotlivých senzorů. Dále se věnujeme problému kinematických modelů pro přejíždění vertikálních překážek, což je další zdroj nepřesnosti při lokalizaci pásového robotu. Díky účasti na výzkumných projektech, jejichž členy byly hasičské sbory Itálie, Německa a Nizozemska, jsme měli přístup na cvičiště určená pro přípravu na zásahy během zemětřesení, průmyslových a dopravních nehod. Přesnost našeho lokalizačního systému jsme tedy testovali v podmínkách, které věrně napodobují ty skutečné. Soubory senzorických měření a referenčních poloh, které jsme vytvořili pro testování přesnosti lokalizace, jsou veřejně dostupné a považujeme je za jeden z přínosů naší práce. Tato dizertační práce má podobu souboru tří časopiseckých publikací a jednoho článku, který je v době jejího podání v recenzním řízení.eployment of mobile robots in search and rescue missions is a way to make job of human rescuers safer and more efficient. Such missions, however, require robots to be resilient to harsh conditions of natural disasters or human-inflicted accidents. They have to operate on unstable rough terrain, in confined spaces or in sensory-deprived environments filled with smoke or dust. Localization, a common task in mobile robotics which involves determining position and orientation with respect to a given coordinate frame, faces these conditions as well. In this thesis, we describe development of a localization system for tracked mobile robot intended for search and rescue missions. We present a proprioceptive 6-degrees-of-freedom localization system, which arose from the experimental comparison of several possible sensor fusion architectures. The system was modified to incorporate exteroceptive velocity measurements, which significantly improve accuracy by reducing a localization drift. A special attention was given to potential sensor outages and failures, to track slippage that inevitably occurs with this type of robots, to computational demands of the system and to different sampling rates sensory data arrive with. Additionally, we addressed the problem of kinematic models for tracked odometry on rough terrains containing vertical obstacles. Thanks to research projects the robot was designed for, we had access to training facilities used by fire brigades of Italy, Germany and Netherlands. Accuracy and robustness of proposed localization systems was tested in conditions closely resembling those seen in earthquake aftermath and industrial accidents. Datasets used to test our algorithms are publicly available and they are one of the contributions of this thesis. We form this thesis as a compilation of three published papers and one paper in review process