Accurate and Reliable Mobile Robots Localization Based on Secondary Radar and Multi-Modal Sensor Fusion

Genaue und zuverlässige Ortung mobiler Roboter basierend auf Sekundärradar und multimodaler Sensorfusion

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-101240
  • Service robots are expected to rapidly grow in spread and importance in the years to come. Service robots are autonomous mobile robots performing useful tasks for humans, excluding manufacturing operations. Thus, they frequently operate in unstructured and dynamic indoor environments among humans. A crucial prerequisite for the efficient and safe operation of such devices is the reliable and accurate localization. Although widely spread for global positioning and navigation, satellite-based technologies such as GPS cannot provide sufficient reliability and accuracy in many outdoor and virtually all indoor scenarios. As service robots frequently operate indoors, an alternative is needed.Service robots are expected to rapidly grow in spread and importance in the years to come. Service robots are autonomous mobile robots performing useful tasks for humans, excluding manufacturing operations. Thus, they frequently operate in unstructured and dynamic indoor environments among humans. A crucial prerequisite for the efficient and safe operation of such devices is the reliable and accurate localization. Although widely spread for global positioning and navigation, satellite-based technologies such as GPS cannot provide sufficient reliability and accuracy in many outdoor and virtually all indoor scenarios. As service robots frequently operate indoors, an alternative is needed. Many promising approaches have been demonstrated in the past, however, no technology has yet managed to reach mass-market adoption for indoor localization. The aim of this work is to present a powerful alternative for indoor and outdoor local positioning based on secondary radar combining range and angle measurements. This combination allows for accurate and reliable localization with much less infrastructure compared to state-of-the-art multilateration and multiangulation techniques. This is thoroughly studied based on a frequency-modulated continuous-wave (FMCW) single-input multiple-output (SIMO) secondary radar. The theoretical limits on the achievable measurement accuracy are shown and analyzed in multiple experiments. The effect of intrinsic and extrinsic error sources on range and angle estimation accuracy is also studied. An indoor localization system for healthcare service robots is developed using the proposed radar device. Using multi-modal sensor data fusion with an ultrasonic device and odometry, accurate and robust positioning is achieved and verified in three real-life scenarios. Another system for 6-degrees-of-freedom (DOF) service robot localization for planetary exploration missions based on the same concept is analyzed theoretically in terms of achievable accuracy. Measurement campaigns in three different scenarios show the advantages of the approach to combine range and angle measurements for 6-DOF localization. The versatility and flexibility of the proposed concept is also proved by a successful participation in the Microsoft Indoor Localization Competition 2016 and a UAV 3D localization experiment demonstration.show moreshow less
  • In den nächsten Jahren ist ein starkes Wachstum im Bereich der Servicerobotik zu erwarten. Serviceroboter sind autonome mobile Roboter, die für Menschen nützliche Aufgaben ausführen, ausgenommen Industrieroboter. Sie agieren häufig in unstrukturierten, dynamischen Indoorumgebungen unter Menschen. Eine entscheidende Voraussetzung für die effiziente und sichere Operation solcher Roboter ist die zuverlässige und genaue Ortung. Satellitenbasierte Technologien wie GPS können keine ausreichende Zuverlässigkeit und Genauigkeit in vielen Outdoor- und faktisch allen Indoorszenarien bereitstellen, obwohl sie weit verbreitet für globale Lokalisierung und Navigation sind. Da Serviceroboter oft imIn den nächsten Jahren ist ein starkes Wachstum im Bereich der Servicerobotik zu erwarten. Serviceroboter sind autonome mobile Roboter, die für Menschen nützliche Aufgaben ausführen, ausgenommen Industrieroboter. Sie agieren häufig in unstrukturierten, dynamischen Indoorumgebungen unter Menschen. Eine entscheidende Voraussetzung für die effiziente und sichere Operation solcher Roboter ist die zuverlässige und genaue Ortung. Satellitenbasierte Technologien wie GPS können keine ausreichende Zuverlässigkeit und Genauigkeit in vielen Outdoor- und faktisch allen Indoorszenarien bereitstellen, obwohl sie weit verbreitet für globale Lokalisierung und Navigation sind. Da Serviceroboter oft im Indoor agieren, ist eine Alternative notwendig. Zahlreiche vielversprechende Ansätze wurden in der Vergangenheit demonstriert, jedoch konnte bis jetzt keine Technologie eine breite Verbreitung im Bereich der Indoorortung finden. Das Ziel dieser Arbeit ist, eine leistungsfähige Alternative für Indoor- und Outdoorortung basierend auf Sekundärradar, das Abstands- und Winkelmessungen kombiniert, vorzustellen. Im Vergleich zu Multilaterations- und Multiangulations-Techniken nach dem Stand der Technik ermöglicht diese Kombination die Ortung mit viel geringeren Infrastrukturanforderungen. Basierend auf einem single-Input multiple-Output (SIMO) frequenzmodulierten Dauerstrich-Sekundärradar (FMCW-Sekundärradar) wurde dies gründlich untersucht. Die theoretischen Grenzen der erreichbaren Genauigkeit wurden aufgezeigt und in zahlreichen Experimenten analysiert. Der Einfluss der intrinsischen und extrinsischen Fehlerquellen auf die Abstands- und Winkelschätzungsgenauigkeit wurden ebenfalls studiert. Basierend auf dem vorgestellten Radargerät wurde ein Indoorortungssystem für Krankenhaus-Serviceroboter entwickelt. Unter Einsatz von multimodaler Sensordatenfusion mit einem Ultraschallsensor und Odometrie konnte genaue und zuverlässige Ortung erreicht und in drei realen Szenarien demonstriert werden. Ein weiteres System zur Serviceroboterortung mit 6 Freiheitsgraden (DOF) für die Planetenerforschung basierend auf dem gleichen Konzept wurde bezüglich der erreichbaren Genauigkeit analysiert. Messkampagnen in drei verschiedenen Szenarien zeigen die Vorteile des Ansatzes, Abstands- und Winkelmessungen für 6-DOF-Ortung zu kombinieren. Die Flexibilität des vorgestellten Konzepts wurde auch durch die erfolgreiche Teilnahme an der Microsoft Indoor Localization Competition 2016 und ein Experiment zur 3D-UAV-Ortung demonstriert.show moreshow less

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Metadaten
Author:Yassen DobrevORCiD
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-101240
Referee:Martin Vossiek
Advisor:Andreas Stelzer
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2018
Embargo Date:2018/11/14
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2018/09/19
Release Date:2018/11/19
SWD-Keyword:radar; sensor fusion; mobile robot
Pagenumber:1-226
Institutes:Technische Fakultät
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 60 Technik / 600 Technik, Technologie
open_access (DINI-Set):open_access
Licence (German):Keine Creative Commons Lizenz - es gilt der Veröffentlichungsvertrag und das deutsche Urheberrecht