Communicating multi-UAV system for cooperative SLAM-based exploration

par Nesrine Mahdoui Chedly

Thèse de doctorat en Technologies de l'Information et des Systèmes : Unité de recherche Heudyasic (UMR-7253)

Sous la direction de Vincent Frémont et de Enrico Natalizio.

Soutenue le 07-12-2018

à Compiègne , dans le cadre de École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne) , en partenariat avec Heuristique et Diagnostic des Systèmes Complexes [Compiègne] / Heudiasyc (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Système multi-UAV communicant pour l'exploration coopérative basée sur le SLAM


  • Résumé

    Dans la communauté robotique aérienne, un croissant intérêt pour les systèmes multirobot (SMR) est apparu ces dernières années. Cela a été motivé par i) les progrès technologiques, tels que de meilleures capacités de traitement à bord des robots et des performances de communication plus élevées, et ii) les résultats prometteurs du déploiement de SMR tels que l’augmentation de la zone de couverture en un minimum de temps. Le développement d’une flotte de véhicules aériens sans pilote (UAV: Unmanned Aerial Vehicle) et de véhicules aériens de petite taille (MAV: Micro Aerial Vehicle) a ouvert la voie à de nouvelles applications à grande échelle nécessitant les caractéristiques de tel système de systèmes dans des domaines tels que la sécurité, la surveillance des catastrophes et des inondations, la recherche et le sauvetage, l’inspection des infrastructures, et ainsi de suite. De telles applications nécessitent que les robots identifient leur environnement et se localisent. Ces tâches fondamentales peuvent être assurées par la mission d’exploration. Dans ce contexte, cette thèse aborde l’exploration coopérative d’un environnement inconnu en utilisant une équipe de drones avec vision intégrée. Nous avons proposé un système multi-robot où le but est de choisir des régions spécifiques de l’environnement à explorer et à cartographier simultanément par chaque robot de manière optimisée, afin de réduire le temps d’exploration et, par conséquent, la consommation d’énergie. Chaque UAV est capable d’effectuer une localisation et une cartographie simultanées (SLAM: Simultaneous Localization And Mapping) à l’aide d’un capteur visuel comme principale modalité de perception. Pour explorer les régions inconnues, les cibles – choisies parmi les points frontières situés entre les zones libres et les zones inconnues – sont assignées aux robots en considérant un compromis entre l’exploration rapide et l’obtention d’une carte détaillée. À des fins de prise de décision, les UAVs échangent habituellement une copie de leur carte locale, mais la nouveauté dans ce travail est d’échanger les points frontières de cette carte, ce qui permet d’économiser la bande passante de communication. L’un des points les plus difficiles du SMR est la communication inter-robot. Nous étudions cette partie sous les aspects topologiques et typologiques. Nous proposons également des stratégies pour faire face à l’abandon ou à l’échec de la communication. Des validations basées sur des simulations étendues et des bancs d’essai sont présentées.


  • Résumé

    In the aerial robotic community, a growing interest for Multi-Robot Systems (MRS) appeared in the last years. This is thanks to i) the technological advances, such as better onboard processing capabilities and higher communication performances, and ii) the promising results of MRS deployment, such as increased area coverage in minimum time. The development of highly efficient and affordable fleet of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) and Micro Aerial Vehicles (MAVs) of small size has paved the way to new large-scale applications, that demand such System of Systems (SoS) features in areas like security, disaster surveillance, inundation monitoring, search and rescue, infrastructure inspection, and so on. Such applications require the robots to identify their environment and localize themselves. These fundamental tasks can be ensured by the exploration mission. In this context, this thesis addresses the cooperative exploration of an unknown environment sensed by a team of UAVs with embedded vision. We propose a multi-robot framework where the key problem is to cooperatively choose specific regions of the environment to be simultaneously explored and mapped by each robot in an optimized manner in order to reduce exploration time and, consequently, energy consumption. Each UAV is able to performSimultaneous Localization And Mapping (SLAM) with a visual sensor as the main input sensor. To explore the unknown regions, the targets – selected from the computed frontier points lying between free and unknown areas – are assigned to robots by considering a trade-off between fast exploration and getting detailed grid maps. For the sake of decision making, UAVs usually exchange a copy of their local map; however, the novelty in this work is to exchange map frontier points instead, which allow to save communication bandwidth. One of the most challenging points in MRS is the inter-robot communication. We study this part in both topological and typological aspects. We also propose some strategies to cope with communication drop-out or failure. Validations based on extensive simulations and testbeds are presented.


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