Graph-based exploration and mapping controller for mobile robots

The focus of this thesis is the development of a novel controller for mobile robots used in exploration and mapping tasks. The proposed solution is based on a reachability graph that represents reachable points of the environment and paths between them. It contains information about the topology of the surroundings, as well as the status of the exploration process. The graph is updated as the robot moves, exploiting information from the sensors. At the same time the graph is used to select the next target and to find a feasible path to reach it. The proposed solution takes the name of "Graph-Based Exploration and Mapping" (G-BEAM) controller. It is composed of two main parts: the obstacle avoidance controller and the exploration and mapping controller. The obstacle avoidance controller has the duty of guaranteeing that the robot does not collide with obstacles, like walls or objects. A novel algorithm has been proposed to that purpose, that is especially suitable for robots with fast dynamics. The exploration and mapping controller is in charge of the mapping and navigation tasks, updating the reachability graph with new information and exploiting stored data to control the robot. The controller is successfully tested through a simulation setup developed in MATLAB/Simulink environment.

Lo scopo di questa tesi è lo sviluppo di un sistema di controllo innovativo per robot mobili impiegati in operazioni di esplorazione e mappatura. La soluzione proposta fa uso di un grafo di raggiungibilità che rappresenta punti raggiungibili dell'ambiente e percorsi tra di essi. Contiene informazioni riguardo alla topologia dell'ambiente, oltre allo stato dell'esplorazione. Il grafo è aggiornato man mano che il robot si muove, sfruttando le informazioni ricevute dai sensori. Allo stesso tempo il grafo è sfruttato per selezionare l'obiettivo e un percorso fattibile per raggiungerlo. La soluzione proposta prende il nome di "Graph-Based Exploration and Mapping" (G-BEAM) controller. Esso è composto da due parti: il controllore "Obstacle avoidance" e il controllore "Exploration and mapping". Il controllore "Obstacle avoidance" garantisce che il robot non collida con ostacoli, come muri o oggetti. Un algoritmo innovativo è stato proposto a tale scopo, che funziona particolarmente bene su robot con dinamiche rapide. Il controllore "Exploration and mapping" si occupa invece di mappatura e navigazione, aggiornando il grafo di raggiungibilità con nuove informazioni e sfruttando i dati salvati per controllare il robot. Il controllore è testato con successo tramite simulazioni svolte nell'ambiente MATLAB/Simulink.