Διακοπτικό σύστημα ελέγχου κίνησης ρομπότ με χρήση εκτίμησης θέσης βάσει συνόλου

Κριθαρούλας, Διονύσιος; Kritharoulas, Dionysios

dc.contributor.author	Κριθαρούλας, Διονύσιος	el
dc.contributor.author	Kritharoulas, Dionysios	en
dc.date.accessioned	2024-05-28T09:16:48Z
dc.date.available	2024-05-28T09:16:48Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/59514
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.27210
dc.rights	Default License
dc.subject	Διακοπτικός μηχανισμός	el
dc.subject	Εκτίμηση στάσης κινητού ρομπότ	el
dc.subject	Αβεβαιότητα ως προς την στάση του ρομπότ	el
dc.subject	Υπολογιστική ταχύτητα	el
dc.subject	Ακρίβεια εκτίμησης στάσης	el
dc.subject	Switching mechanism	en
dc.subject	Mobile robot pose estimation	en
dc.subject	Uncertainty regarding robot's pose	en
dc.subject	Computational speed	en
dc.subject	Accurate pose estimation	en
dc.title	Διακοπτικό σύστημα ελέγχου κίνησης ρομπότ με χρήση εκτίμησης θέσης βάσει συνόλου	el
dc.title	Switching system for robot motion control with set-based pose estimation.	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Ρομποτική	el
heal.classification	Robotics	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2024-02-19
heal.abstract	Ο σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάπτυξη ενός διακοπτικού μηχανισμού μεταφόρτωσης υπολογιστικών διεργασιών στα άκρα του δικτύου, για ρομποτικές εφαρμογές της Βιομηχανίας 4.0. Οι εφαρμογές αυτές αφορούν κινητά ρομπότ τα οποία εκτελούν περίπλοκες διεργασίες, οι οποίες έχουν υψηλές απαιτήσεις τόσο σε χρονική απόκριση όσο και σε ασφάλεια. Σε αυτό το πλαίσιο, η μεταφόρτωση των διεργασιών στα άκρα του δικτύου επιτρέπει στα ρομπότ να ελαφρύνουν τον υπολογιστικό τους φόρτο, αναθέτοντας την εκτέλεση των παραπάνω διεργασιών σε μία ισχυρή υπολογιστική υποδομή σε κοντινή απόσταση. Στο σενάριο που εξετάζεται στην παρούσα διπλωματική εργασία θεωρούμε πως διαθέτουμε δύο υπολογιστικές διεργασίες που αφορούν τον εντοπισμού θέσης ενός κινητού ρομπότ: (i) έναν γρήγορο, τοπικά εκτελούμενο αλγόριθμο ο οποίος παρέχει μία αναξιόπιστη εκτίμηση για την ακριβή θέση και τον προσανατολισμό του ρομπότ και (ii) έναν χρονοβόρο, ωστόσο πιο ακριβή αλγόριθμο ο οποίος μπορεί να εκτελείται απομακρυσμένα στο άκρο του δικτύου. Ο σκοπός του διακοπτικού μηχανισμού είναι η απόφαση σε κάθε χρονική στιγμή για το εάν είναι απαραίτητη η χρήση του πιο χρονοβόρου αλγορίθμου προκειμένου το ρομπότ να αποκτήσει μία πιο ακριβή εκτίμηση της θέσης και του προσανατολισμού του ή εάν αρκεί η χρήση του τοπικού αλγορίθμου εντοπισμού θέσης. Ανάλογα με του τελικούς στόχους της ρομποτικής εφαρμογής, ο συγκεκριμένος μηχανισμός μπορεί να διαμορφωθεί κατάλληλα έτσι ώστε να παρέχει μία εξισορρόπηση μεταξύ της ακρίβειας που προσφέρεται από τον αλγόριθμο εντοπισμού θέσης που εκτελείται απομακρυσμένα στην άκρη του δικτύου και της υπολογιστικής ταχύτητας που προσφέρεται από τον αλγόριθμο εντοπισμού θέσης που εκτελείται τοπικά στο ρομπότ. Για την ανάπτυξη του διακοπτικού μηχανισμού πραγματοποιήθηκε η σχεδίαση και υλοποίηση ενός αλγορίθμου απόφασης μεταφόρτωσης υπολογιστικών διεργασιών, ο οποίος λαμβάνει υπόψιν του την δυναμική φύση των κινήσεων του ρομπότ και αντιμετωπίζει την αβεβαιότητά που υπάρχει στον ακριβή εντοπισμό της θέσης του στο χρόνο. Πιο συγκεκριμένα, η απόφαση για τη μεταφόρτωση λαμβάνεται βάσει της αβεβαιότητας ως προς την τρέχουσα θέση του ρομπότ, την εγγύτητα του ρομπότ σε εμπόδια που βρίσκονται στον χώρο της κίνησης του αλλά και την δυσκολία της διαδρομής που αυτό καλείται να ακολουθήσει. Ο βαθμός της αβεβαίοτητας που παρουσιάζει το ρομπότ σε κάθε χρονική στιγμή ως προς την ακριβή του θέση λαμβάνεται μέσω μίας προσεγγιστικής τεχνικής η οποία χρησιμοποιεί τα δεδομένα που προέρχονται από την οδομετρία του ρομπότ και τα ενσωματώνει σε ένα αντίστροφο μοντέλο κίνησης στο οποίο έχουν προστεθεί μεταβλητές θορύβου οι οποίες προσομοιώνουν τους τύπους της αβεβαιότητας που υπάρχουν στην κίνηση του ρομπότ. Μέσω του μοντέλου αυτού, υπολογίζεται σε κάθε χρονική στιμγή ένα σύνολο δειγμάτων το οποίο περιέχει προσεγγιστικά όλες τις πιθανές στάσεις στις οποίες μπορεί να βρίσκεται το ρομπότ την συγκεκριμένη χρονική στιγμή με βάση το σύνολο δειγμάτων που έχουν προκύψει από την προηγούμενη χρονική στιγμή. Το εμβαδόν που καταλαμβάνει το συγκεκριμένο σύνολο μεγαλώνει με την κίνηση του ρομπότ καθώς τα δείγματα του διασκορπίζονται σε ένα αυξανόμενο μεγάλο χώρο. Έτσι το συγκεκριμένο εμβαδόν αποτελεί μία καλή μετρική που ποσοτικοποιεί τον βαθμό της αβεβαιότητας που υπάρχει ως προς την ακριβή θέση του ρομπότ. Η αξιολόγηση ολόκληρου του διακοπτικού μηχανισμού πραγματοποιήθηκε σε περιβάλλον προσομοίωσης χρησιμοποιώντας ένα κινητό ρομπότ διαφορικής οδήγησης το οποίο επιθυμεί να μεταβεί από μία γνωστή αρχική θέση σε μία γνωστή τελική θέση. Προκειμένου το ρομπότ να καταφέρει να φτάσει με επιτυχία στην τελική θέση, χρησιμοποιήθηκαν γνωστοί αλγόριθμοι τόσο για τον σχεδιασμό της διαδρομής που πρέπει να ακολουθήσει όσο και για την παρακολούθηση της διαδρομής αυτής	el
heal.abstract	The purpose of this thesis is the development of a switching offloading mechanism for robotic applications within Industry 4.0. These applications rely on mobile robotic agents performing numerous complex tasks that with strict safety and time requirements. In this context, by offloading their computationally intensive tasks to powerful computing infrastructures in their vicinity, robots can reduce their computational load. In the scenario examined in this thesis, we assume that two localization algorithm are available: (i) a fast, locally-executed one, providing an unreliable estimation while the robot is moving and (ii) a time-consuming, however more precise one, executed remotely on an edge server. The objective of the offloading switching mechanism is to determine at each time step whether the use of the remotely executed localization algorithm is necessary for the robot to obtain a more accurate estimate of its position and orientation, or whether the the locally executed localization algorithm is sufficient. Depending on the goals of the robotic application, this mechanism can be configured accordingly to balance the accuracy offered by the remotely executed localization algorithm against the computational speed provided by the locally executed localization algorithm. For the development of the switching offloading mechanism, a utility function-based decision algorithm is designed and implemented that considers the dynamic nature of robot's movement and addresses the uncertainty regarding its position and orientation. More specifically, the decision is based on the uncertainty regarding the current robot pose, the proximity of the robot to obstacles during its navigation and the complexity of the path the robot must follow. The degree of uncertainty at each time step regarding the current robot pose is obtained through an approximation technique. This technique utilizes from the robot's odometry and integrates them into an inverse motion model incorporating noisy variables that simulates the types of uncertainty present in the robot's motion.Through this model, a set of samples is calculated at each time instant containing approximately all the possible poses that the robot can reach at this particular time step based on the set of samples that have been generated in the previous time step. During robot's movement, the area occupied by this set grows as its samples are scattered over an increasingly large space. Thus, this area can serve as a metric that quantifies the degree of uncertainty with respect to the robot's current pose. The evaluation of the switching mechanism was conducted in a simulation environment using a differential drive mobile robot that is able to move from a known initial position to a known final position. To facilitate successful navigation, widely used mobile robot path planning and path tracking algorithms were implemented.	en
heal.advisorName	Παπαβασιλείου, Συμεών	el
heal.committeeMemberName	Παπαβασιλείου, Συμεών	el
heal.committeeMemberName	Ρουσσάκη, Ιωάννα	el
heal.committeeMemberName	Ματσόπουλος, Γεώργιος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών. Τομέας Επικοινωνιών, Ηλεκτρονικής και Συστημάτων Πληροφορικής	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	74 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false