An autonomous navigation use case for last mile delivery in urban environments

Autonomous mobile robots are changing many industrial fields. Up to now their use has been limited to indoor confined applications (e.g. warehouse logistics) or outdoor applications in isolated areas (e.g. agriculture applications). In the last couple of years, due to the boom of the e-commerce, a great interest has been raised around the possibility of using robots to deliver parcels navigating city's sidewalks. Despite the enormous recent scientific and technological progress, urban environments still represent a challenge for robot autonomous navigation. In the first place, it is clear the need of a robust sidewalk level localization solution that is able to cope with GPS inaccuracies typical of urban environments. Furthermore, to navigate urban sidewalks, robots need to be extremely maneuverable and able to handle even the worst sidewalk surface conditions without getting stuck. This research aims to address these challenges by developing and experimentally validating a complete autonomous navigation solution capable of navigating urban sidewalks. An autonomous mobile robot named YAPE (Your Autonomous Pony Express) is designed from scratch based on a two wheeled self-balancing configuration. This design, although more difficult to control compared to other robots, guarantees great maneuverability and the flexibility to handle sidewalk irregularities. A method to map large scale urban areas is also developed. Using a map-based localization system, sidewalk level localization is proved even in GPS degraded and denied environments. The complete autonomous navigation system has been extensively tested in real-world situations on Milan urban sidewalks.

La robotica mobile sta avendo un grosso impatto su diverse applicazioni industriali. Fino ad ora l’uso di robot autonomi è stato limitato ad applicazioni in aree confinate e facilmente controllabili (es. Logistica nei magazzini) o in grandi aree isolate (es. Applicazioni agricole). Con il boom dell'e-commerce degli ultimi anni, l’uso di robot che possano navigare autonomamente sui marciapiedi delle nostre città per effettuare le consegne potrebbe rivoluzionare il mondo del last-mile delivery (cioè l’ultimo tratto di viaggio del prodotto, dal magazzino cittadino fino al cliente finale). Nonostante l'enorme recente progresso tecnologico nel campo della robotica mobile, l’ambiente cittadino pone ancora oggi diverse sfide alla navigazione autonoma. Come prima cosa è necessario lo sviluppo di algoritmi che possano fornire in modo robusto una stima precisa della posizione del robot con una accuratezza sotto il metro anche in ambienti urbani dove il sistema satellitare ha grosse limitazioni. Inoltre, per navigare sui marciapiedi delle città, i robot devono essere estremamente manovrabili e in grado di gestire anche le peggiori condizioni della superficie del marciapiede senza rimanere bloccati. Questa lavoro di ricerca si propone di affrontare le criticità che l’ambiente urbano pone alla navigazione autonoma descrivendo e validando sperimentalmente un sistema robotico completo in grado di navigare agilmente sui marciapiedi urbani. Il robot descritto in questa tesi è chiamato YAPE (Your Autonomous Pony Express) ed è stato progettato da zero sulla base di una configurazione auto-bilanciante con solo due ruote. Questo design, sebbene più difficile da controllare rispetto ad altri robot, garantisce una grande manovrabilità e la flessibilità per gestire le irregolarità del marciapiede. Nella tesi viene sviluppato e validato un sistema di posizionamento basato su mappe che raggiunge una precisione centimetrica anche in ambienti dove il GPS è completamente inaffidabile. Il completo sistema di navigazione autonomo è stato ampiamente testato in situazioni reali sui marciapiedi urbani di Milano.