The influence of the starting position on single-robot exploration performance

87 Pages·2017·6.91 MB·English

POLITECNICO DI MILANO
Scuola di Ingegneria Industriale e dell’Informazione
Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria
MSc in Computer Science and Engineering
The influence of the starting position on
single-robot exploration performance
Supervisor: Prof. Francesco Amigoni
Co-Supervisor: Dr. Matteo Luperto
Master thesis by:
David Lorenzi, matricola 835843
Academic year 2016-2017

“Dovie’andi se tovya sagain.
It’s time to toss the dice.”
Mat Cauthon - A Wheel of Time

Abstract
The diffusion of autonomous mobile robotics brought the robots to face dy-
namic, unpredictable, and human-oriented environments. The need to let
the robot act unsupervised makes the exploration of unknown environments
a relevant task in various contexts. In the literature, there are several explo-
ration strategies, along with comparative studies between them. The exper-
imentaltestingofsuchexplorationstrategiesusuallyexploitssimulations, in
which one or more robots have to explore a simulated environment follow-
ing a defined strategy. Usually the starting position of these experiments is
chosen arbitrarily (e.g., close to the centre of the environment), rather than
being chosen in meaningful positions (close to doors, elevator, stairs). The
purpose of this thesis is to understand if this approach to the choice of the
startingpositionhassome effectontheexplorationperformance, comparing
the outcomes of the exploration of an environment starting from different
initial positions. To reach this goal, we have simulated a single-robot ex-
ploration in different environments, executing, in each environment, several
experiments from different starting points. The arbitrary starting positions
identified are close to the centre and the corners of the environment, places
in which the robot hardly can be spawn if the environment is not simulated,
while the meaningful starting position is close to a human entrance to the
environment. The results of this work suggest that the starting position has
not a relevant effect on the exploration performance, supporting the arbi-
trary choice of the starting positions that are more convenient in simulated
environments. The main contribution of this thesis is thus a quantitative
analysis supporting the most popular approach to the choice of the starting
position for exploration.
I

Sommario
La crescente popolarit`a della robotica mobile autonoma ha portato i ro-
bot a doversi confrontare con ambienti dinamici, dal comportamento non
prevedibile. La necessit`a di far agire autonomamente questi robot fa s`ı
che l’esplorazione di ambienti sconosciuti sia un’operazione di fondamen-
tale importanza. In letteratura esistono diverse strategie di esplorazione,
e non mancano studi comparativi tra di esse. Il confronto e la valida-
zione sperimentale di queste strategie passa spesso da simulazioni, in cui
uno o piu` robot esplorano un ambiente simulato applicando una determi-
nata strategia. La posizione di partenza dell’esplorazione, in queste pro-
ve sperimentali, `e spesso decisa arbitrariamente e non rispecchia i punti
d’ingresso dell’ambiente significativi (porte, ascensori, scale). Lo scopo di
questa tesi `e cercare di comprendere se una scelta arbitraria della posi-
zione di partenza dell’esplorazione di un ambiente ignoto ha degli effetti
sulle prestazioni dei robot durante l’esplorazione stessa, confrontando gli
esiti dell’esplorazione di un ambiente ignoto partendo da posizioni diverse.
Per raggiungere questo scopo `e stato realizzato un sistema per confrontare
le prestazioni nell’esplorazione di diversi ambienti di un singolo robot, fa-
cendolo partire, in ogni ambiente, da due posizioni scelte arbitrariamente,
e quindi convenienti per le simulazioni ma difficilmente utilizzabili in un
corrispondente ambiente reale, e da un punto di ingresso significativo. Le
posizioni arbitrarie identificate sono una vicino al centro e una in un angolo
dell’ambiente, in cui il robot difficilmente potrebbe partire se si trattasse
di un ambiente reale, mentre la posizione di partenza significativa si trova
in corrispondenza di ingressi dell’ambiente verosimili. I risultati di questo
lavoro indicano come la posizione iniziale non abbia un’influenza significa-
tiva sulle prestazioni, avvalorando, dunque, la scelta arbitraria o casuale
della posizione di partenza. Il principale contributo di questa tesi, dunque,
`e un’analisi quantitativa che avvalora l’approccio alla scelta della posizione
iniziale per l’esplorazione seguito nella maggior parte della letteratura.
III

Ringraziamenti
Dopo 6 anni di Politecnico anche quest’avventura giunge al termine, e scri-
vere questi ringraziamenti potrebbe essere la parte piu` complicata per me,
come chi mi conosce pu`o immaginare.
Il primo grazie lo devo alla mia famiglia: non lo dico spesso, ma vi sono
grato per tutto il supporto che mi avete dato in questi anni, lasciandomi la
libert`a dicompiere autonomamente lescelteche impattavano sulla mia vita,
permettendomi in questo modo di crescere ed affrontare tutte le esperien-
ze conscio delle mie responsabilit`a. Non sempre ho affrontato tutto come
avreste voluto e ho commesso molti errori, ma spero ogni volta di essere
migliorato, e per questo vi ringrazio.
Un altro enorme grazie va a tutti i miei amici: da quelli che mi soppor-
tano un giorno s`ı e l’altro pure durante le infinite serate al bar, a quelli che
vedo e sento piu` raramente, ma ogni volta `e sempre indimenticabile, pas-
sando per gli amici che anche se fisicamente non sono sempre vicini `e come
se fossero sempre qua. Non vi nomino tutti, sono sicuro che dimenticherei
qualcuno (e poi sapete che ho una particolare avversione per i nomi), ma
posso assicurarvi che nonostante tutto rifarei mille altre volte le stesse scelte
anche solo per assicurarmi di reincontrarvi tutti. D’ora in poi finalmente
“Tesi!”non sar`a piu` la mia risposta predefinita ad ogni domanda!
Infine un ringraziamento anche al prof. Francesco Amigoni e al dott.
Matteo Luperto, che mi hanno affiancato in quest’ultimo anno, facendo
anch’essi gli straordinari nell’ultimo mese per permettermi di essere qui.
V