Mobile Robot Navigation in Outdoor Environments:
A Topological Approach

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Electrotécnica e Computadores, Instituto Superior Técnico, Junho de 2005. Palavras Chave Navegação, Robots Móveis, Mapa Topológico, Robótica Probabilística, Extracção e Selecção de Features, Busca e Salvamento, Ambientes Externos

Membros de Júri

Resumo

A tese tem como principal objectivo o desafio da navegação robótica em ambientes externos não estruturados, para o que são propostas metodologias baseadas em abordagens probabilísticas que focam os três grandes problemas: o mapeamento (tipo de representação), a localização e a navegação.

A metodologia escolhida assenta numa base matemática sólida que procura resolver os três problemas simultaneamente de uma forma topológica, ou seja, a um nível elevado de abstracção.

A motivação da tese é inspirada na destreza de certas espécies animais com excelentes capacidades de navegação que permitem recolher o essencial à vida e manter a espécie.

Para este desafio foram desenvolvidos algoritmos, testados em simulação e em ambientes reais, com um robot móvel. As maiores contribuições científicas da tese baseiam-se na representação do cenário (uma nova abordagem de representação topológica, um conjunto de estados definidos por Gaussianas e ligados por orientações), na construção do mapa topológico (uma versão dinâmica do algoritmo de Estimação e Maximização), uma abordagem probabilística para a localização e navegação (versões optimizadas do algoritmo Progressivo-Regressivo) e finalmente, a extracção e selecção de propriedades (metodologias de extracção de diferentes tipos de propriedades do ambiente e a respectiva selecção de acordo com o ambiente a ser representado).

A tese termina com um capítulo de resultados experimentais em cenários reais. As experiências foram realizadas com um robot móvel equipado com diferentes tipos de sensores, comprovando assim a aplicabilidade da abordagem topológica, com um alto nível de abstracção.

As principais contribuições da tese consistem na definição e demonstração de como é possível implementar uma abordagem de alto nível de abstracção na navegação de robots móveis em ambiente não estruturados.

Actividades e Projectos

No âmbito do doutoramento foram realizados diversos projectos, de forma a implementar novas técnicas sensoriais e de navegação.

• Robótica Móvel - Navigation In a Maze
• Visão por Computador - Reconstrução 3D através de Stereo Binocular
• Estimação e Classificação - Abordagens Probabilísticas

A tese tem como pano de fundo cenários de busca e salvamento, em especial The Rescue Project - Cooperative Navigation for Rescue Robots, onde o objectivo principal é desenvolver soluções para a criação de equipas de robots cooperativos que operem em ambientes externos não estruturados. Ao reunir várias equipas de investigação do Instituto de Sistemas e Robótica, este projecto tem como objectivo a utilização da navegação cooperativa de robots na procura e salvamento em cenários de catástrofes.

Ainda no âmbito do doutoramento segui diversos cursos, seminários e conferências, tais como:

• IAV 2004 – The 5th IFAC/EURON Symposium on Intelligent Autonomous Vehicles, Lisboa, Portugal
• ICAR 2003 – The 11th International Conference on Advanced Robotics, Coimbra, Portugal
• Robótica'2003 – Festival Nacional de Robótica, Lisboa, Portugal
• 1st International Workshop on Advances in Service Robotics, Bardolino, Itália
• European Summer School on Cooperative Robotics, Lisboa, Portugal
• Summer School on Simultaneous Localization & Mapping, KTH, Stockholm, Sweden
• 10th Mediterranean Conference on Control and Automation, Lisboa, Portugal
• IST Doctoral Course Spring 2002, Linear and Non Linear Systems by Prof. António Pascoal, Lisboa, Portugal
• Summer School on Mobile Robot Navigation, EPFL, Lausanne, Switzerland
• Dynamic Stochastic Estimation, Prediction and Smoothing by Prof. Michael Athans, Lisboa, Portugal
• Robótica'2001 – Festival Nacional de Robótica, UM, Guimarães, Portugal
• Spring School on Stochastic Optimization, UC, Coimbra, Portugal
• Controlo'2000: 4th Portuguese Conference on Automatic Control, UM, Guimarães, Portugal
• 4º Encontro Nacional do Colégio de Engenharia Electrotécnica, FIL, Lisboa, Portugal

Publicações

No decorrer do doutoramento foram publicados diversos artigos, que podem ser consultados na página das publicações. De salientar a tese e a respectiva apresentação:

Bolsa

No âmbito do doutoramento, foi-me atribuída uma bolsa de doutoramento pela Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT), com a referência SFRH/BD/929/2000 financiada de acordo com a área científica a que respeita, pelo Programa Operacional Ciência, Tecnologia e Inovação (POCTI) e pelo Programa Operacional Sociedade da Informação (POSI) do Quadro Comunitário de Apoio III (2000-2006).