Valutazione sperimentale di strategie di esplorazione per sistemi multirobot con vincoli di comunicazione

Exploration of initially unknown environment with autonomous robots is a fundamental task in several applications, like search and rescue of victims. In the literature, many works propose exploration strategies that drive a team of robots to the next observation locations in order to incrementally discover the environment. The effects of realistic communication between robots have been considered by some works that account for communication constraints in the design of the exploration strategies. However, these approaches have not been comparatively assessed yet. In this thesis, we present an experimental quantitative comparison of some exploration strategies that consider communication constraints characterized by different requirements on the timing among connections between the robots and a fixed base station. We chose three exploration strategies and we evaluated them by using a robotic simulator that includes communication, navigation and mapping methods. In this way, we focused only on strategies implementation. Experiments have been done by testing the exploration strategies in different environments with different parameters. Results confirmed that the stricter the communication constraint, the less area is explored and known by the base station. This suggests how to trade-off between connectivity and coverage according to the specific application. The main purpose of our work is to get some insights on the strengths and the weaknesses of the compared methods and to better understand how the communication constraints aspect the exploration performance, so that the outcomes of our experimental analysis could help the future development of better exploration strategies.

L'esplorazione di un ambiente sconosciuto da parte di robot autonomi è un compito fondamentale in molte applicazioni, come quelle di ricerca e soccorso di vittime in ambienti disastrati. In letteratura, esistono diverse strategie di esplorazione che portano una squadra di robot a scoprire l'ambiente in modo incrementale. Alcuni lavori, che includono i vincoli di comunicazione all'interno della progettazione delle strategie di esplorazione, hanno considerato gli effetti di una comunicazione realistica tra i robot. Tuttavia, un confronto tra questi diversi approcci non è ancora stato effettuato nell'attuale stato dell'arte. In questa tesi, presentiamo un confronto quantitativo di alcune strategie di esplorazione che considerano vincoli di comunicazione che pongono requisiti diversi sulla tempistica dei collegamenti fra i robot ed una base station fissa (BS). Le tre strategie che abbiamo scelto e valutato sono state testate con prove ripetute all'interno di un simulatore in cui erano già inclusi i metodi necessari alla comunicazione, alla navigazione e al mapping. In questo modo ci siamo potuti concentrare soltanto sull'implementazione delle strategie. Gli esperimenti sono stati portati a termine in simulazione su ambienti di tipologie differenti e variando alcuni parametri. I risultati ottenuti hanno confermato che, a parità di tempo, più è rigido il vincolo di comunicazione, minore è l'area esplorata e conosciuta dalla BS, ma maggiore è la percentuale di area conosciuta dalla BS rispetto a quella visitata dai robot. Bisogna, quindi, trovare un compromesso tra la connettività e la copertura dell'ambiente a seconda dell'applicazione specifica. Le motivazioni principali della tesi sono quelle di evidenziare i punti di forza e di debolezza dei metodi confrontati e di capire meglio come i vincoli di comunicazione influenzano le prestazioni dell'esplorazione, in modo che i risultati della nostra analisi sperimentale possano aiutare lo sviluppo futuro di strategie di esplorazione migliori.