Localization and Navigation of Autonomous Systems in Complex Scenarios

Autonomous systems represent a promising evolving area, in particular with respect to research in artificial and embedded systems. In the European Industry, many solutions of autonomous systems focused on solving a very specific problem are available, but the majority of these solutions, however, is proprietary. While maintaining the property of a particular technology ensures a position in the market, on the other hand this becomes very costly especially in long term. Due to the proliferation of proprietary solutions, the Robotic Industry presents a high degree of fragmentation, which cause a slowdown in the development of new systems, especially nowadays, where an even more increasing number of applications of robotic systems comes. Most of the issues that must be addressed in the development of Autonomous Systems are common to all areas of applications: These problems relate, for example, the localization in indoor/outdoor environments, the ability to avoid obstacles, the ability to make simple decisions based on the occurrence of certain events. It is therefore clear that having a framework of tools that solves common problems in all areas of application, and from which is possible to start for the development of new particular systems used for certain tasks, produces a remarkable advantage. Therefore, in order to become competitive in a highly dynamic market it is necessary to fill some gaps that currently slow down the diffusion of autonomous systems: The lack of platforms for the integration of components from various technology suppliers, the unavailability of high-performance embedded platforms and the absence of a framework of methodologies are just some of the obstacles to overcome. In this context, the European Project R3-COP (www.r3-cop.eu), made possible by funds of the ARTEMIS Joint Undertaking as well as different National Funding Authorities and thanks to the collaboration of 27 partners from different European Countries, aims to advance over the state of the art providing a contribution from both perspectives: Technology and Methodology. In particular, it aims to propose new technologies and methodologies that enable the production for the European Industry of advanced, robust, autonomous and cooperating robotic systems at a reduced cost. This Thesis has been developed in the context of the R3-COP Project, in order to overcome some of the addressed problems, and provides a contribution in both directions: Technology and Methodology. Concerning the technology, the developed algorithms, based on variants of the Kalman Filter, demonstrate the ability to leverage the latest technologies radio belonging to the IEEE 802.15.4a Standard (Ultra Wide Band and Chirp Spread spectrum) in indoor localization. Going more in detail, a Localization System for Unmanned Ground Vehicle (UGV) based on Nanotron Chirp Spread Spectrum (CSS) Real Time Localization System is proposed. The Nanotron RTLS Kit provides a system for ranging especially in outdoor environments using a proprietary ranging technology called Symmetrical Double-Sided Two Way Ranging (SDS-TWR). This technique tries to overtake the limitations of the classical Received Signal Strength Indication (RSSI) (e.g., Wi-fi mapping) that does not ensure good performance especially in structured environments. The set of these devices allows to create a Wireless Sensor Network (WSN) that is suitable for cooperative tasks where the data link is fundamental to share data and support the relative localization. The proposed algorithm allows to model the bias of ranging data considering also the faults in the measurements in order to have a more reliable position estimation when ranging data are not available. The management of fault measurements allows also to reduce the errors on ranging when there is not Line of Sight between the anchors and the tag, in which situation the performances of the system decreases. Furthermore, a Localization Algorithm for Unmanned Aerial Vehicle (UAV) based on UbiSense Ultra Wide Band (UWB) is presented: The proposed solution allows to use a low-cost Inertial Measurement Unit (IMU) in the prediction step and the integration of vision-odometry for the detection of markers nearness the touchdown area. The ranging measurements allow to reduce the errors of inertial sensors due to the limited performance of accelerometers and gyros. The obtained results show that an accuracy of 15 cm can be achieved. Concerning the methodology, the second part of this Thesis presents a 3D Simulation Environment for the prototyping and validation of cooperative tasks for unmanned systems as part of the framework of methodologies addressed by the R3-COP project. The proposed Simulation Environment, provides also the possibility to convert the control software from Simulated Scenario into real application using the tools provided by MatLab/Simulink. Some example of use of the developed Simulation Environment, such as formation control of many UAVs using Networked Decentralized Model Predictive Control, and mission management, using Finite State Machines and cooperation among autonomous agents realized through exchange of information, are explained. All the developed systems have been focused on the Final Air-Borne Demonxii strator of the R3-COP Project in which the Autonomy and the Cooperation between the mobile agents have been proved. The results of the research have been successfully reviewed and published into international conferences and journal and applied in the Final Air-Borne Demonstrator of the R3-COP Project.

I sistemi autonomi rappresentano un’area di sviluppo molto promettente, in particolare per quanto riguarda la ricerca sui sistemi artificiali intelligenti ed embedded. In campo industriale molte soluzioni focalizzate a risolvere un ben determinato problema sono disponibili, ma la gran parte di queste soluzioni è tuttavia proprietaria. Se da una parte il mantenimento della proprietà di alcune tecnologie garantisce una propria posizione nel mercato, dall’altra comporta dei costi soprattutto nel lungo periodo. A causa del proliferare di soluzioni proprietarie, l’industria robotica presenta un forte grado di frammentazione, che si traduce in un rallentamento nello sviluppo di nuovi sistemi, soprattutto in un periodo come quello presente, dove un sempre maggior numero di applicazioni dei sistemi robotici viene alla luce. Basti pensare ad esempio al forte sviluppo che stanno avendo i robots dedicati al supporto dei pazienti in ambiente ospedaliero, od ancora i robots adibiti alla pulizia dei pavimenti della abitazioni. Gran parte delle problematiche che devono essere affrontate nello sviluppo dei Sistemi Autonomi sono comuni a tutti gli ambiti applicativi degli stessi: tali problematiche riguardano, ad esempio, la localizzazione in ambienti indoor/ outdoor, la capacità di evitare ostacoli, la possibilità di prendere semplici decisioni sulla base del verificarsi di determinati eventi. Risulta pertanto chiaro che avere un framework di strumenti e tools di base, che risolva i problemi comuni a tutti gli ambiti applicativi, e dal quale partire di volta in volta per lo sviluppo di particolari sistemi adibiti a determinati compiti, comporti un notevole vantaggio. Pertanto, per diventare competitivi in uno scenario fortemente dinamico è necessario colmare alcune lacune che attualmente rallentano il processo di diffusione dei sistemi autonomi: la mancanza di piattaforme per l’integrazione di componenti da vari fornitori di tecnologia, la non disponibilità di piattaforme embedded altamente performanti e l’assenza di un framework di metodologie di sviluppo sono solo alcuni degli ostacoli da superare. In questo contesto, il progetto Europeo R3-COP mira a fornire un avanzamento rispetto allo stato dell’arte nel campo dei sistemi autonomi, fornendo un contributo sia dal punto di vista tecnologico che metodologico. Il progetto R3-COP (www.r3-cop.eu), reso possibile dai fondi stanziati dal Consorzio ARTEMIS Joint Undertaking, grazie alla collaborazione di 27 partners provenienti da diverse realtà Europee, mira a rappresentare una pietra miliare rispetto allo stato dell’arte nello sviluppo dei Sistemi Autonomi fornendo un framekwork di nuove tecnologie e metodologie che permettano all’Industria Europea la produzione di sistemi robotici avanzati, robusti, autonomi e cooperanti ad un costo sempre più ridotto. Dal punto di vista tecnologico, il progetto R3-COP da una parte mira allo sviluppo di piattaforme embedded altamente performanti basate su architettura multi-core fault-tolerant, dall’altra alla definizione di tecnologie innovative nel campo della percezione dell’ambiente (tramite anche tecniche di Sensor Fusion), ma anche di capacità cognitive e di coooperazione fra i differenti tipi di Sistemi Autonomi. Dal punto di vista metodologico, R3-COP mira a fornire un framework di base di strumenti di sviluppo, validazione e verifica che possa rappresentare il punto di partenza dei futuri Sistemi Autonomi. La presente Tesi è stata sviluppata nell’ambito del progetto R3-COP, al fine di fornire un contributo originale nella risoluzione di alcune delle problematiche affrontate dal progetto stesso. In particolare, si mira a fornire un contributo in entrambe le direzioni del progetto: tecnologia e metodologia. Relativamente alla tecnologia, il lavoro condotto nella prima parte di questa Tesi descrive il contributo offerto nello sviluppo di algoritmi di localizzazione per ambienti indoor/outdoor di sistemi autonomi. Gli algoritmi sviluppati, basati su varianti del Filtro di Kalman dimostrano la possibilità di sfruttare le recenti tecnologie radio appartenenti allo standard IEEE 802.15.4a quali Ultra Wide Band e Chrip Spread Sprectrum nella localizzazione robotica specialmente in ambienti indoor. Andando più nel dettaglio, in questa Tesi si presenta un sistema di localizzazione per Unmanned Ground Vehicles basato sul sistema Nanotron Chirp Spread Spectrum. Il kit fornito da Nanotron rappresenta una possibile scelta nello sviluppo di un sistema di ranging specialmente grazie alla tecnologia proprietaria chiamata Symmetrical Double Sided Two Way Ranging (SDS-TWR). Questa tecnica di ranging permette di superare le limitazioni dei classici sistemi di ranging basati sull’intensità del segnale ricevuto (RSSI) che non assicurano performance soddisfacenti particolarmente in ambienti strutturati. L’algoritmo proposto permette anche di modellare il bias nei dati di ranging considerando inoltre le misure affette da fault al fine di avere una stima della posizione maggiormanete affidabile, anche quando le informazioni di ranging di alcune ancore non sono disponibili. Successivamente, si propone un algoritmo di localizzazione per Unmanned Aerial Vehicles (UAV) sfruttando il kit di sensori UbiSense basato sullo standard IEEE 802.15.4a Ultra Wideband (UWB). L’algoritmo proposto permette xvi di stimare la posizione di un mini UAV sfruttando le informazioni provenienti da sensori inerziali low-cost e un sistema di visione per il rilevamento del marker nella zona di atterraggio. Le misure di ranging fornite dall’ltraWide Band, con un errore di circa 25cm, permetteno di ridurre gli errori dei sensori inerziali. I risultati dimostrano che il connubio di sensori inerziali ed UltraWide Band permette di localizzare l’UAV con una precisione di 15cm. Da un punto di vista metodologico, la seconda parte della Tesi presenta il sistema software di simulazione sviluppato per la veloce prototipazione di leggi di controllo cooperative e per la validazione delle stesse con la possibilità di sfruttare tools per la generazione automatica del codice ed l’integrazione dello stesso nella piattaforme hardware reali. In aggiunta, sono discussi alcuni esempi di utilizzo del Simulatore come il test di un algoritmo per il volo in formazione di più UAV basato sul Networked Decentralized Model Predictive Control ed algoritmi per la gestione delle missioni sfruttando le Macchine a Stati Finiti e la cooperazione degli agenti mobili realizzata mediante lo scambio di informazioni. Tutto il lavoro svolto è stato finalizzato alla realizzazione dei relativi aspetti del dimostratore finale Air-Borne del progetto R3-COP nel quale le capacità di localizzazione, navigazione e cooperazione dei Sistemi Autonomi terrestri ed aerei dovevano essere dimostrate. I risultati delle ricerche condotte sono stati pubblicati con successo in varie riviste ed atti di conferenze internazionali.