A solution for the navigation in unknown environments with a new generation of sensors

Thanks to the constant technological growth it is possible to have devices and sensors that allow robotic systems to collect and handle data in a simpler, more accurate and efficient way from a quantitative and qualitative point of view with respect to what happened in past days. This thesis work wants to compare a specific category of new generation’s proximity sensors to the most common devices that are used to solve the cartography and navigation tasks. The new VCSELs made by STMicroelectronics are based on the time of flight principle to compute the distance of the surrounding objects they can find. They have been integrated to different robotic platforms (i.e., to an hexapod and to dif- ferent drone’s models) with a particular configuration that allows the robotic system to retrieve data from different directions. With these sensors, it has been possible to draw the world’s shape through well-known SLAM techniques. The performance of GMapping, Google Cartographer and Hector-SLAM have been evaluated to understand which is the best set-up solution for such a specific robotic configuration. For the navigation system, both the user-driven and the autonomous navigation have been deployed and tested into a simulation environment, while an obstacle avoidance feature has been developed in or- der to gain an overall safer navigation experience, due to the obstacle’s identification in the environment. In conclusion, this work shows a different way to improve the human robotic collaboration, so that a solution that a reduces the risk of exposing humans to dangerous unknown situations can be deployed.

Grazie al costante progresso tecnologico è possibile avere a disposizione strumenti e sen- sori che permettono di trattare e collezionare informazioni in modo qualitativamente e quantitativamente più semplice, preciso ed efficiente rispetto a quanto fatto con stru- menti più datati meno all’avanguardia. Questo progetto di Tesi si propone di comparare una specifica categoria di sensori di prossimità di nuova generazione rispetto ai mezzi più comunemente adoperati per costruire un sistema di navigazione che funzioni su diverse piattaforme robotiche. I nuovi VCSEL prodotti da STMicroelectronics, che sfruttano il principio fisico del tempo di volo per calcolare la distanza degli oggetti nell’ambiente cir- costante, sono stati integrati a robot a sei zampe e a diverse tipologie di droni attraverso una particolare configurazione che gli permette di ricevere dati da direzioni diverse nello spazio, cosicché sia possibile ricostruirne la forma durante la navigazione attraverso al- goritmi di SLAM noti. Si sono quindi valutate le performance delle tecniche proposte da GMapping, Google Cartographer e Hector-SLAM per capire quale potesse essere la soluzione migliore per la configurazione robotica proposta. Per quanto riguarda il sistema di navigazione, alla modalità di guida gestita dall’utente è stata affiancata la possibilità di condurre una esplorazione autonoma degli ambienti da parte del robot, resa più sicura dallo sviluppo di un algoritmo di anti-collisione, capace di far riconoscere ed evitare gli ostacoli svelati durante la navigazione. In conclusione, questo lavoro mostra come poter migliorare la collaborazione tra uomo e robot attraverso una soluzione diversa, in modo tale da ridurre il rischio di esporre gli operatori umani a situazioni sconosciute e pericolose.