Experimental analysis of the impact of communication models on exploration strategies for multirobot systems

The exploration of unknown environments with autonomous robots is a fundamental task in many applications, such as search and rescue or security and surveillance. Several studies have been conducted on the analysis of different exploration strategies that aim to find a way for robots to incrementally explore and map unknown areas in the shortest time, while traveling the minimum distance. In most of these works, communication constraints and their effects on the exploration strategies have not been thoroughly considered. A model regarding the communication between robots during an exploration task, in which a specific communication constraint is applied, is hereafter defined as a communication model. The current state of the art lacks a comparison between different communication models and their impact on the performance of the exploration task, that need to be investigated further. In this thesis we present an experimental analysis of various communication models paired with different exploration strategies together with a comparison of their impact on the final performance. Exploration strategies and communication models have been tested using simulation tools in different environments. Results show that a more permissive constraint, such as the possibility to exchange messages even through walls and obstacles, allows a faster exploration of the environment. Moreover, exploration strategies that do not require a frequent communication between robots and a fixed Base Station (BS) outperform, in terms of explored area in a given period of time, those who demand a constant connection with the BS. However, if the goal of the application is to explore the area while being connected as much as possible with the BS, the latter typology of exploration strategies is preferred. The goal of this work is to highlight strengths and weaknesses of analyzed communication constraints and to understand their impact on the performance of the exploration task.

L'esplorazione di ambienti sconosciuti da parte di robot autonomi è un compito fondamentale in molte applicazioni quali ricerca e soccorso o sicurezza e sorveglianza. Molteplici studi sono stati condotti sull'analisi di diverse strategie di esplorazione che hanno lo scopo di far esplorare e mappare, ad una squadra di robot, zone sconosciute in modo incrementale nel minor tempo possibile, percorrendo minime distanze. In molti di questi lavori, gli effetti dei vincoli di comunicazione sulle strategie di esplorazione non sono stati considerati. Un modello riguardante la comunicazione tra robot durante un processo di esplorazione, in cui viene applicato un particolare vincolo di comunicazione, è definito modello di comunicazione. L'attuale stato dell'arte manca di un confronto tra diversi modelli di comunicazione e il loro impatto sulla performance dell'esplorazione, che deve essere investigato ulteriormente. In questa tesi presentiamo un'analisi sperimentale di alcuni modelli di comunicazione affiancati a diverse strategie di esplorazione e studiamo il loro impatto sul risultato finale. Strategie di esplorazione e modelli di comunicazione sono stati testati con programmi di simulazione in ambienti diversi. I risultati mostrano che un vincolo più permissivo, come la possibilità di scambiare messaggi anche attraverso muri e ostacoli, permette una più veloce esplorazione dell'ambiente. In aggiunta, le strategie di esplorazione che non richiedono una frequente comunicazione tra robot e una Base Station (BS) danno migliori risultati, in termini di area esplorata in un determinato lasso di tempo, rispetto a quelle che richiedono una costante connessione con la BS. Ciò nonostante, se lo scopo dell'applicazione è esplorare l'ambiente stando il più connessi possibile alla BS, allora la seconda tipologia di strategia di esplorazione è preferita. Lo scopo di questo lavoro è di identificare i punti di forza e le debolezze dei vincoli di comunicazione analizzati e di capire il loro impatto sulla performance del processo di esplorazione.