Exploração de ambientes externos utilizando campos potenciais

Abstract

Este trabalho propõe uma solução baseada em campos potenciais para a exploração de ambientes externos desconhecidos utilizando um robô terrestre equipado com sensores de alcance do tipo laser. Campos potenciais harmônicos guiam a exploração do ambiente a partir da definição de condições de contorno que atraem (objetivo) ou repelem (obstáculos) o robô, e computando o caminho a ser seguido solucionando um problema de valores de contorno (PVC). A definição das condições de contorno costuma ser trivial em ambientes planos, onde utilizam-se representações bidimensionais. Geralmente, este não é o caso em ambientes externos, pois faz-se necessário definir uma maneira confiável de representar ambientes naturais, que, diferentemente de ambientes internos, possuem terrenos irregulares. Para tanto, é utilizada uma grade de elevação a partir da qual determina-se se uma célula é um obstáculo ou não analisando a diferença de altura em relação às células vizinhas. Com a utilização desta técnica é possível detectar, de maneira eficiente, obstáculos com os quais o robô poderia colidir, como paredes, árvores, pedras e objetos semelhantes. Para a detecção de obstáculos como buracos ou bordas de regiões elevadas, é necessário utilizar outro método, que detecta quedas bruscas de altura nas regiões imediatamente à frente do robô. Detectando os obstáculos de maneira correta, o PVC pode ser resolvido para criar o campo potencial que guia a exploração do ambiente. Em todos os cenários testados a solução implementada resultou na exploração completa dos ambientes e em mapas que os representam fielmente.

This paper proposes a solution for mapping and exploration of unknown outdoor environments using a wheeled mobile robot equipped with two laser-based distance sensors. Harmonic potential fields guide the exploration of the environment defining boundary conditions that attract (objective) or repel (obstacles) the robot and computing the path to be followed solving a boundary value problem (BVP). The definition of boundary conditions is usually trivial in environments with plain terrains, that might be represented through two-dimensional structures. Usually, this is not the case in outdoor environments, where it is necessary to define a reliable way of representing natural environments, that, unlike indoor environments, may have uneven terrains. An elevation grid, from which we can define if a cell is an obstacle or not by comparing its height with the height of its neighbor cells, is used in order to achieve that. This method yields an efficient way of detecting obstacles such as trees, walls, rocks and others that could cause collisions. Nonetheless, for obstacles like holes and plateaus’ edges, it is necessary to implement a method that detects abrupt drops in height right ahead of the robot. After defining a proper way to detect obstacles, the BVP can be solved to create the potential field responsible for guiding the environment’s exploration. In all tested scenarios, our solution solution resulted in a thorough exploration of the environments and in maps that represent them accurately.