ROS-based implementation and evaluation of an energy-aware multi-robot system for exploration

The tasks that robots are required to execute are becoming more and more complex, and a single robot is often no longer the best choice for many applications. In this work, we focus on the exploration of a priori unknown environments, for instance to search and rescue victims in hazardous sites. One of the issues when dealing with a team of robots is that, in order to perform efficiently, the robots are required to coordinate intelligently. Moreover, when dealing with mobile multi-robot systems we also have to consider the limited energy available to the robots, calling for methods that avoid energy wastes and occasionally recharge the battery. While the coordination issue has been widely studied in the literature and several frameworks to develop software for coordinated multi-robot systems, like those based on ROS, have been proposed, to the best of our knowledge there exist very few works on coordinated energy-aware exploration of initially unknown environments. One of them is the work of Rappaport and Christian Bettstetter. The approach proposed by the authors appears to be very promising, but it is tested using a simplified simulator, thus leaving open the question of how it works in more realistic settings. This thesis improves the approach proposed by Rappaport and Christian Bettstetter in order to adapt it to more realistic scenarios and applications. In addition, this thesis contributes the implementation in ROS of the new approach, the collection of data using the software developed in ROS, and their analysis in order to critically study the performance of the system according to the exploration scenario (size of the environment to be explored, number of employed robots, etc.), that we show to have a significant impact on the results.

I compiti che vengono affidati ai robot moderni diventano ogni giorno più complessi, rendendendo spesso inefficiente l'utlizzo di un singolo robot in molte applicazioni. In questo lavoro ci concentriamo sull'esplorazione di ambienti a priori non noti, ad esempio con l'intendo di individuare e soccorrere vittime in zone pericolose. Al fine di otterene un comportamento efficiente, uno dei problemi da gestire quando si decide di impiegare un gruppo di robot è il coordinamento tra questi ultimi. Oltre ciò, è anche necessario tenere in considerazione la limitata energia disponibile dai robot mobili, rendendo indispensabile sviluppare metodi per ridurre gli sprechi di energia e ricaricare occasionalmente i robot. Sebbene il tema del coordinamento sia stato largamente studiato in letteratura e oggigiorno siano disponibili diversi framework (come ad esempio quelli basati su ROS) per sviluppare software per sistemi multi-robot coordinati, solo un numero molto esiguo di lavori si sono focalizzati sul tema dell'esplorazione di ambienti sconosciuti usando robot mobili con energia limitata. Questo problema è affrontato nel lavoro di Rappaport e Bettstetter: l'approccio proposto dagli autori appare molto promettente, tuttavia è stato testato utilizzando un simulatore semplificato, lasciando quindi aperta la domanda sulle prestazioni del modello in applicazioni più realistiche. Questa tesi migliora l'approccio proposto da Rappaport e Bettstetter al fine di adattarlo ad applicazioni e scenari più realistici. In aggiunta, questo lavoro vede l'implementazione in ROS del citato approccio, la raccolta di dati utilizzndo il software risultante e l'analisi critica delle performance del sistema dipendentemente dallo scenario di esplorazione (ambiente esplorato, numero di robot impiegati, ecc.), che dimostriamo avere un impatto significativo sui risultati.