Echolocation for the RO-BAT platform: biomimetic autonomous mobile robot navigation exploiting ultrasonic echoes

Large groups of bats can achieve coordinated collective motion relying only on echolo cation while experiencing the so-called Cocktail Party Problem: in order to echolocate they need to hear the echoes of their own call, but in groups the echoes overlap with conspecifics’ emissions and the echoes thereof, resulting in masking and jamming effects. It is still unclear how they manage to maneuver in such conditions. To shed light on co ordination mechanisms in crowded environments, biologists and engineers teamed up to implement the Ro-BAT platform as a robotic model of swarms of active sensing agents. Previous work realised a first prototype of a Ro-BAT capable of passive sound source localisation. In this thesis I propose a second version of the Ro-BAT capable of active echolocation, equipped with an electrostatic ultrasonic transducer for emission, and an array of Micro Electro-Mechanical System (MEMS) microphones specifically designed for ultrasound recording. I also implemented a signal processing pipeline for handling the incoming echoes of the emitted call to establish the relative position of nearby obstacles in terms of range and angle. For the angle, I tested three different Direction of Arrival (DOA) esti mation algorithms, being them Delay and Sum (DAS), the Capon method, and Multiple Signal Classification (MUSIC), in static conditions. I then chose the most efficient one, i.e. DAS, to be included in the final pipeline for obstacle avoidance. The robot was then tested in lab experiments regarding its ability to autonomously navigate an arena with reflective obstacles only through echolocation. The tests’ results show that my bioinspired robot, mainly assembled with consumer grade hardware, is capable of locating obstacles with a good level of accuracy thanks to the echoes of the robot’s emission and steer its path accordingly to avoid collisions. The proposed solution can therefore be considered a starting point to be scaled to a full swarm of active sensing agents. This robotic model could then be used to perform control studies to deepen the understanding of collective behaviour mediated by acoustics in swarms of biological and robotic agents.

Gruppi numerosi di pipistrelli sono in grado di muoversi in modo coordinato sfruttando solamente l’ecolocalizzazione nonostante siano sottoposti al Problema del Cocktail Party: per ecolocalizzare devono necessariamente percepire gli echi del proprio richiamo, ma in gruppo questi sono spesso sovrapposti a richiami di altri pipistrelli, e agli echi derivanti. Questi segnali possono mascherare o disturbare la ricezione dei propri echi. Non è ancora stato spiegato del tutto come i pipistrelli riescano a destreggiarsi in condizioni simili. Per approfondire la ricerca su meccanismi di coordinazione in ambienti affollati, biologi ed esperti di robotica riuniti in un team hanno progettato la piattaforma Ro-BAT come un modello robotico di uno sciame di agenti che percepiscono in maniera attiva. Lavori precedenti si sono concentrati sulla realizzazione di un primo prototipo di Ro-BAT in grado di localizzare passivamente sorgenti sonore. In questa tesi io presento una seconda versione del Ro-BAT in grado di ecolocalizzare, equipaggiato con un trasduttore elettrostatico per l’emissione di ultrasuoni e con una schiera di microfoni MEMS specificamente ideati per la registrazione di ultrasuoni. Ho anche implementato una catena di processamento dei segnali che permette al robot di stabilire la posizione relativa di ostacoli nei dintorni, in termini di distanza e angolo, tramite gli echi percepiti. Ho testato tre diversi algoritmi per la stima della Direzione di Arrivo in condizioni statiche, i quali sono Delay and Sum (DAS), il metodo di Capon, e Multiple Signal Classification (MUSIC). Il più efficiente dei tre, DAS, è stato integrato nel comportamento di evitamento degli ostacoli impiegato. Il robot è stato poi messo alla prova in esperimenti di laboratorio, testando la sua capacità di navigare autonomamente un’arena con ostacoli riflettenti solamente sfruttando l’ecolocalizzazione. I risultati ottenuti nei test indicano che il mio robot bioispirato, assemblato in gran parte con materiali di qualità per il consumatore, è capace di localizzare ostacoli con un buon grado di accuratezza tramite gli echi della sua emissione. La soluzione proposta può quindi essere considerata come un punto di partenza per scalare verso un intero sciame di agenti che percepiscono in maniera attiva. Il risultante modello robotico può quindi essere usato per studi di controllo per approfondire la conoscenza del comportamento collettivo mediato tramite l’acustica in sciami di agenti biologici e robotici.