Alessandro Dionisi Thesis Presentation

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This is my master thesis presentation, discussing mobile robot exploration using ZigBee devices

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  • 1. Candidato: Alessandro Dionisi Relatore: Prof. Luca Iocchi Facolt di Ingegneria Tesi di Laurea Specialistica inIngegneria Informatica Esplorazione per Robot Mobilibasata su Dispositivi ZigBee 20 maggio 2008 A.A. 2006/2007

2.

  • Introduzione
  • Esplorazione autonoma
  • Lalgoritmo di esplorazione
  • Sperimentazione
  • Analisi della qualit del segnale su dispositiviZigBee
  • Conclusioni e sviluppi futuri

Sommario Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi 3.

  • Introduzione
  • Esplorazione autonoma
  • Lalgoritmo di esplorazione
  • Sperimentazione
  • Analisi della qualit del segnale su dispositiviZigBee
  • Conclusioni e sviluppi futuri

Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi 4.

  • Robotica mobile
    • Ambiente domestico
    • Operazioni di soccorso
    • Sorveglianza
    • Esplorazioni in condizioni estreme
  • W irelessS ensorN etwork (WSN)
    • Transceiver + microcontrollore + batteria
    • Basso costo, autorganizzazione
    • Monitoraggio, telemedicina, domotica

Ambito di interesse Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi Localizzazione dei nodi? [MFA07] 5.

  • Selezionare una piattaforma hardware/software per WSN
  • Sperimentazione sulla piattaforma scelta
  • Integrazione di sistemi di robotica mobile con le potenzialit offerte dalle WSN, mediante un'applicazione di supporto allalocalizzazione
  • Test del sistema realizzato in simulazione e in ambiente reale

Obiettivi della tesi Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi 6.

  • Introduzione
  • Esplorazione autonoma
  • Lalgoritmo di esplorazione
  • Sperimentazione
  • Analisi della qualit del segnale su dispositiviZigBee
  • Conclusioni e sviluppi futuri

Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi 7.

  • Il robot sceglie autonomamente le aree da esplorare, incrementando la conoscenza del mondo
    • Costruzione di mappe ( Mapping )
    • Ricerca di zone di interesse ( Search )
  • Per massimizzare la conoscenza del mondo, spostati al confine tra spazio noto e inesplorato [Yam98]
    • Esplorazione basata sul concetto difrontiera
      • Trovate mediante laser scanner o sonar
  • Inmolti approcci la ricercacieca
    • Scelta casuale ogreedydella frontiera[Yam98, MTK, SB03 ,BMF + 00]

Esplorazione autonoma Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi 8.

  • Tale informazione rappresentata dalLink Quality Indicator (LQI) , un valore riportato in ogni pacchetto dello standard per reti di sensoriZigBee
  • Assume valori tra0e255 , fornendo unindicazione della qualit del collegamento tra trasmettitore e ricevitore

Il contributo della WSN Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi Idea:sfruttare le informazioni provenienti dai dispositivi della WSN, per guidare lesplorazione autonoma in aree sconosciute 9.

  • Il dispositivo ZigBee pu avere due funzioni principali:
    • Pu segnalare punti di interesse per lesplorazione dellambiente
      • Trasmette periodicamente un messaggio di tipobeacon
    • A bordo del robot, ha la funzione di un sensore di prossimit
      • E in grado ricevere i beacon ed estrarre il LQI per ogni messaggio

Ruoli dei dispositivi Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi 10.

  • Introduzione
  • Esplorazione autonoma
  • Lalgoritmo di esplorazione
  • Sperimentazione
  • Analisi della qualit del segnale su dispositiviZigBee
  • Conclusioni e sviluppi futuri

Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi 11.

  • A partire dalle considerazioni fatte, stato realizzato un algoritmo euristico, che si basa sul LQI per la scelta della frontiera ad ogni passo
  • Esso utilizza moduli software di esplorazione autonoma, realizzati per il frameworkSPQR-RDK

Descrizione dellalgoritmo (1/2) Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi 12.

  • Lambiente viene discretizzato in celle. Nella celle dove transita il robot, viene salvato il valore del LQI
  • Viene assegnato un punteggio ( score ) ad ogni frontiera disponibile
  • Lo score calcolato considerando:
    • Un intervallo di valori LQI, a distanza minDist +
    • La distanza euclidea dalla frontiera

Descrizione dellalgoritmo (2/2) Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi Controllo tra lunghezza del path e distanza euclidea. Se esso fallisce la frontiera viene scartata e si passa alla seconda con score pi alto Score: F 1 =167.36 F 2 =137.08 13.

  • Introduzione
  • Esplorazione autonoma
  • Lalgoritmo di esplorazione
  • Sperimentazione
  • Analisi della qualit del segnale su dispositiviZigBee
  • Conclusioni e sviluppi futuri

Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi 14. Esempio in simulazione (1/3) Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi Dipartimento di Informatica e Sistemistica Primo piano Ambiente di simulazione Player/Stage 15. Esempio in simulazione (2/3) Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi 16. Esempio in simulazione (3/3) Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi Percorso di esplorazione effettuato dal robot 17. Esempio in ambiente reale

  • Tempo impiegato per la ricerca:830
  • Tempo impiegato conoscendo gi lobiettivo:327

Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi 18.

  • Introduzione
  • Esplorazione autonoma
  • Lalgoritmo di esplorazione
  • Sperimentazione
  • Analisi della qualit del segnale su dispositiviZigBee
  • Conclusioni e sviluppi futuri

Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi 19.

  • Dopo unattenta fase di studio presso stato deciso limpiego dello standard per WSNZigBee
    • Bassi costi e ottima autonomia energetica
    • Possibilit di creare reti mesh (routing)
  • Specifiche
    • Basato sullo standard IEEE 802.15.4
    • Banda ISM - 2.4 GHz
    • Potenza massima 0 dBm (1 mW)
    • Bassi data rate ( 250 kbps)
    • Range trasmissivi: 30 m (Indoor), 120 m (Line-of-Sight)

Lo standard ZigBee Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi 20.

  • Basata sul SiP MC13213 di Freescale

Piattaforma hardware Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi Diagramma di radiazione uniforme[Sem06]F-Antenna 21.

  • Secondo lequazione di Friis per la propagazione:
  • Conoscendo lapotenza del segnale ricevuto possibile stimare la distanza tra trasmettitore e ricevitore
    • Informazione facilmente ricavabile in ogni dispositivo
      • Nei dispositivi utilizzaticorrisponde con il LQI
    • Dato rumoroso, a causa di fenomeni fisici come attenuazione emultipath
    • In ambienti indoor difficile correlare direttamente la potenza ricevuta alla distanza

Cosa rappresenta il LQI? Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi 22.

  • Nodi disposti in visibilit a 50 cm dal suolo e a distanze tra 1 e 20 m, inviando 50 pacchetti per ogni posizione

Ambiente outdoor Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessandro Dionisi

  • Osservazioni:
  • Si ritrovano i risultati visti nella teoria
  • Allaumentare della distanza, aumenta la varianza
  • Strano comportamento intorno ai 4 m, dovuto a non linearit nel circuito Rx

23.

  • Stessa configurazione rispetto al caso outdoor, campionando in modo abbastanza regolare lambiente (unabitazione)

Ambiente indoor (1/2) Esplorazione per Robot Mobili basata su Dispositivi ZigBee Alessan