Projekt: Roboter WLAN-Lokalisierung

Einführung

Navigation ist eine Schlüsseleigenschaft von mobilen Robotern. Die Navigation setzt sich aus der Lokalisierung und der Pfadplanung zusammen. Das Ziel der Lokalisierung ist die "pose" (Position und Orientierung) eines mobilen Roboters in Bezug auf seine Umgebung zu ermitteln. Es gibt drei verschiedene Lokalisierungsprobleme in der Mobilrobotik: Positionsverfolgung (position tracking), globale Lokalisierung (global localization) und das entführte Roboter Problem (kidnapped robot problem). Für die Positionsverfolgung wird die Startposition des mobilen Roboters benötigt, sie wird auch als lokale Lokalisierung bezeichnet. Die globale Lokalisierung ermittelt die pose des mobilen Roboters ohne eine vorherige Information. Das entführte Roboter Problem beschreibt eine Situation, in der der mobile Roboter ohne sein Wissen an einen anderen Ort bewegt wird. Es wird häufig verwendet um zu schauen wie gut ein Roboter Lokalisierungsfehler korrigieren kann. Verfahren zur globalen Lokalisierung eines Roboters können so modifiziert werden, dass sie auch das entführte Roboter Problem lösen können.

Für mobile Roboter mit Reifen werden normalerweise Odometriesensoren für die Lösung des Lokalisierungsproblems verwendet. Odomertriesensoren liefern Informationen über die Bewegungen des Roboters, allerdings summieren sich dabei fehlerhafte Sensorwerte über die Zeit. Somit ist Odometrie für kleinere lokale Bewegung genau genug, kann aber nicht für längere Positionsverfolgungen und globale Lokalisierung eingesetzt werden.

Zusätzliche Sensoren wie ein Laserscanner und eine Kamera liefern Informationen über die Umgebung eines mobilen Roboters. Verschiedene Verfahren wurden bereits in der Forschung für die Berechnung der pose eines mobilen Roboters eingesetzt. Nachteilig ist, dass Laserscanner sehr teuer sind und Kameras für die Bildverarbeitung viel Rechenleistung benötigen. Ebenfalls benötigen diese Verfahren eine Karte und für gewöhnlich eine vorgegebene Startposition. Wenn die Startposition des Roboters unbekannt ist, muss die pose in der ganzen Karte gesucht werden, was sich in einer großen Umgebung als schwierig erwiesen hat und sehr lange dauert. Eine globale Bestimmung der pose mittels WLAN Technologie kann solche Verfahren unterstützen, indem die Startposition berechnet wird. Weiterhin kann das entführte Roboter Problem gelöst werden, da ein Lokalisierungsfehler erkannt und eine korrigierte pose berechnet werden kann.

Heut zu Tage sind mobile Roboter oft mit IEEE 802.11 WLAN-Karten ausgestattet um mit Computern oder anderen mobilen Endgeräten zu kommunizieren. Ebenfalls sind viele Gebäude mit einer WLAN-Infrastruktur ausgestattet, da es sich um eine weit verbreitete und günstige Technologie handelt. Viele WLAN-Karten können die Signalstärke der empfangenen Packete, als Teil ihrer Standardoperationen, messen. Die Signalstärke variert merkbar zwischen verschiedenen Positionen in der Umgebung. Aus diesem Grund kann die pose eines mobilen Roboters mittels der Signalstärke bestimmt werden. Die Signalstärkemessung mittels WLAN stellt dabei eine günstige Alternative zu anderen globalen Lokalisierungsverfahren dar.

Das Projekt beschäftigt sich mit der Lokalisierung und Positionsverfolgung von mobilen Robotern. Dabei werden die in den Gebäuden verfügbaren WLAN-Infrastrukturen verwendet. Dabei werden bestehende Verfahren in zwei entscheidenden Punkten erweitert. Erstens wird außer der Position zusätzlich die Orientierung des Roboters ermittelt. Dabei werden gemessene Signalstärken einer omnidirektionalen Antenne und einer Richtantenne eines Roboters mit denen aus einer Datenbank (Radio Map genannt) abgeglichen. Zweitens wird die Anzahl der Referenzpunkte in der Datenbank (Radio Map) mittels Interpolationsverfahren minimiert. Bei den Lokalisierungsalgorithmen werden Eigenentwicklungen und bereits bekannte Verfahren verwendet und kombiniert. Die Verfahren können so die Navigation eins mobilen Roboters durch die Ermittlung einer globalen Startposition unterstützen.