Heterojen robot takımı için 3B yol planlama ve yol takibi
3D path planning and tracking for heterogenous robot team
Yazar: ÖMER FARUK KAYA
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ERKAN USLU
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Bilgisayar Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control

Özet:
Günümüzde, askeri operasyonlarda, çevrenin izlenmesinde ve doğal afetlerde arama kurtarma görevlerinde heterojen robot ekiplerinin kullanımı artmaktadır. Heterojen robot ekipleri, madencilik, tarım, çiftçilik, dış mekan gözetimi ve dış mekan haritalama gibi alanlarda da kullanılabilmektedir. Ancak, 2 boyutlu otonom navigasyon sistemleri, engebeli arazilerde başarısız olmaktadır. Bu çalışmada, yükseklik haritasındaki eğimleri dikkate alarak 2.5B navigasyon kullanılarak bu soruna bir çözüm önerilmektedir. Çalışmada önerilen yöntem simülasyon ve gerçek ortam dikkate alınarak geliştirilmiştir. Simülasyon ortamındaki geliştirmede ROS altyapısı ve Gazebo simülasyon ortamı kullanılmıştır.
Hava ve kara araçları koordineli bir şekilde çalıştırılmakta ve çevredeki yükseltiler çıkarılan haritalara işlenmektedir. Çalışmada gerçek dünyadaki engebeli bir araziyi yansıtan bir simülasyon dünyası oluşturulmuş ve içerisine bazı kentsel öğeler, binalar ve ağaçlar simülasyon dünyasına eklenmiştir. Gerçek ortamda kullanılan yer aracı ile uyumlu olacak şekilde kara aracı olarak üzerinde 3 boyutlu lazer ölçüm duyargası, GPS ve 9 DOF atalet duyargalarına sahip bir robot kullanılmıştır. Bu duyargalar kullanılarak bir Eş zamanlı Konum Belirleme ve Haritalama (EKBH) algoritması çalıştırılmıştır. EHBH algoritmasının çıktısı olan konum verisi kullanılarak kara aracında bir 2.5B harita oluşturulmuştur. GPS tabanlı nokta bazlı navigasyon ile kara aracını takip edebilen, üzerinde 3 boyutlu lazer mesafe ölçüm, 9 DOF atalet ve GPS duyargalarını bulunduran bir hava aracı kullanılmış ve duyargaları kullanılarak kara aracında 2.5B bir harita katmanı daha oluşturulmuştur. Her iki aracın koordine çalışması ile kara aracı için global bir plan oluşturulmaktadır, bu plan kara aracının bilgisinin yeterli olduğu durumda sadece kara aracının haritası kullanılarak, yetersiz olması durumunda hava aracının çıkardığı harita bilgileri kullanılarak yapılmıştır. Yapılan bu plan kara aracının yerel planlayıcısı kullanılarak takip edilmiştir. Önerilen yöntem sayesinde, daha kısa yollar ile hedeflere ulaşılmanın yanı sıra yerel minimuma sıkışma sorunları da azaltılmıştır. Çalışmada önerilen yöntem ile literatürdeki yöntemlerin karşılaştırması hem simülasyon hem gerçek ortamda gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
Today, the use of heterogeneous robot teams is increasing in military operations, monitoring the environment, and search and rescue missions in natural disasters. Heterogeneous robot teams can also be used in fields such as mining, agriculture, farming, outdoor surveillance, and outdoor mapping. However, single 2D autonomous navigation systems fail in rough terrains. In this study, a solution to this problem is proposed using 2.5D navigation that takes into account the slopes on the elevation map. The proposed method in the study was developed by considering simulation and real environment. ROS infrastructure and Gazebo simulation environment were used in the development in the simulation environment. Drone and ground vehicles are operated in a coordinated manner and the elevations in the environment are processed on the map. The simulation world used in the study reflects a real-world rough terrain and also some urban artifacts such as buildings and trees are added to the simulation world. A robot, which compatible with ground vehicle used in the real environment, equipped with a 3D laser measurement sensor, GPS and 9 DOF inertial sensors is used as a ground vehicle. The ground vehicle can output 3D map and 3D localization using 3D SLAM. Using the SLAM localization, a 2.5D map is created on the ground vehicle. Drone, which utilizes 3D LIDAR, 9 DOF IMU, and GPS sensors, is capable of following the ground vehicle with a GPS-based waypoint navigation and can create a 2.5D map using its sensors. A global plan is created for the ground vehicle by the cooperative effort of both robots, using the map information from the ground vehicle where available and using the map information from the drone where the ground vehicle's map is insufficient. 2.5D navigation of the ground vehicle is carried out by the local planner taking into account the calculated cooperative global path. Thanks to the proposed method, it is possible to reach the given target points through shorter routes and reduce the number of situations where path planning is stuck at local minimums. The proposed method in the study was compared with the methods in the literature both in simulation and real environment.