real-time map-building for fast mobile robot obstacle avoidance

8/13/2019 Real-Time Map-building for Fast Mobile Robot Obstacle Avoidance

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R e a l - t i m e m a p - b u i l d i n g f o r f a s t m o b i l e r o b o t o b s t a c l e a v o i d a n c eJ o h a n n B o r e n s t e i n a n d Y o r a m K o r e n

T h e U n i v e r s i t y o f M i c h i g a n , D e p a r t m e n t o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g a n d A p p l i e d M e c h a n i c sA d v a n c e d T e c h n o l o g y L a b o r a t o r i e s , 1 1 0 1 B e a l A v e n u e , A n n A r b o r , M I 4 8 1 0 9

A B S T R A C TT h i s p a p e r i n t r o d u c e s H I M M ( h i s t o g r a m i c i n - m o t i o n m a p p i n g ) , a n e w m e t h o d f o r r e a l - t i m e m a p b u i l d i n g w i t h a m o b i l er o b o t i n m o t i o n . H I M M r e p r e s e n t s d a t a i n a t w o - d i m e n s i o n a l a r r a y ( c a l l e d a h i s t o g r a m g j i d ) t h a t i s u p d a t e d t h r o u g h r a p i dc o n t i n u o u s s a m p l i n g o f t h e o n b o a r d r a n g e s e n s o r s d u r i n g m o t i o n . R a p i d i n - m o t i o n s a m p l i n g r e s u l t s i n a s t a t i s t i c a l m a pr e p r e s e n t a t i o n t h a t i s w e l l - s u i t e d t o m o d e l i n g i n a c c u r a t e a n d n o i s y r a n g e - s e n s o r d a t a . H I M M i s i n t e g r a l p a r t o f a no b s t a c l e a v o i d a n c e a l g o r i t h m a n d a l l o w s t h e r o b o t t o i m m e d i a t e l y u s e t h e m a p p e d i n f o r m a t i o n i n r e a l - t i m e o b s t a c l e -a v o i d a n c e . T h e b e n e f i t s o f t h i s i n t e g r a t e d a p p r o a c h a r e t w o f o l d : ( 1 ) q u i c k , a c c u r a t e m a p p i n g ; a n d ( 2 ) s a f e n a v i g a t i o n o ft h e r o b o t t o w a r d a g i v e n t a r g e t .

H I M M h a s b e e n i m p l e m e n t e d a n d t e s t e d o n a m o b i l e r o b o t . I t s d u a l f u n c t i o n a l i t y w a s d e m o n s t r a t e d t h r o u g h n u m e r o u st e s t s i n w h i c h m a p s o f u n k n o w n o b s t a c l e c o u r s e s w e r e c r e a t e d , w h i l e t h e r o b o t s i m u l t a n e o u s l y p e r f o r m e d r e a l - t i m eo b s t a c l e a v o i d a n c e m a n e u v e r s a t s p e e d s o f u p t o 0 . 7 8 m / s e c .

1 . I N T R O D U C T I O NM a p - b u i l d i n g a n d o b s t a c l e a v o i d a n c e a r e u s u a l l y t r e a t e d a s s e p a r a t e , s e q u e n t i a l f u n c t i o n s o f a m o b i l e r o b o t n a v i g a t i o ns y s t e m . T h i s p a p e r , b y c o n t r a s t , i n t r o d u c e s a n e w i n t e g r a t e d m a p p i n g a n d o b s t a c l e a v o i d a n c e s y s t e m . T h e m a p - b u i l d i n gf u n c t i o n , c a l l e d h i s t o g r a m i c i n - m o t i o n m a p p i n g ( H I M M ) , i s o p t i m i z e d f o r s i m u l t a n e o u s u s e w i t h t h e o b s t a c l e a v o i d a n c ef u n c t i o n . I n t e g r a t i o n b e n e f i t s b o t h f u n c t i o n s i n u n i q u e w a y s :

1 . C o n t i n u o u s a n d r a p i d i n - m o t i o n s a m p l i n g g e n e r a t e s a s t a t i s t i c a l w o r l d - m o d e l , c a l l e d h i s t o g r a m g f i d , t h a t m o d e l s t h el e v e l o f e v i d e n c e f o r t h e e x i s t e n c e o f a n o b s t a c l e . C o l l e c t i o n o f r a n g e - s a m p l e s f r o m c o n t i n u o u s l y v a i y i n g l o c a t i o n s( d u r i n g m o t i o n ) y i e l d s m o r e a c c u r a t e m a p s t h a n s a m p l i n g f r o m a f e w ( s t a t i o n a r y ) l o c a t i o n s d o e s 8 .2 . T h e i n t e n s i t y o f a n o b s t a c l e a v o i d a n c e m a n e u v e r i s p r o p o r t i o n a l t o t h e l e v e l o f e v i d e n c e f o r t h e e x i s t e n c e o f a no b s t a c l e . I n o t h e r w o r d s , t h e s y s t e m r e a c t s t o w e a k e v i d e n c e w i t h a m o d e r a t e s t e e r i n g m a n e u v e r , w h i l e s t r o n g e re v i d e n c e c a u s e s a m o r e d r a s t i c a v o i d a n c e m a n e u v e r . T h i s p r o g r e s s i v e - r e s p o n s e a p p r o a c h r e n d e r s t h e s y s t e m i n s e n s i t i v et o n o i s y o r e r r o n e o u s s e n s o r y d a t a w h i l e m a i n t a i n i n g a l e v e l o f " a l e r t n e s s " t h a t a l l o w s t h e r o b o t t o a v o i d s u d d e n l y

a p p e a r i n g o b s t a c l e s , e v e n w h e n r u n n i n g a t h i g h s p e e d s .T h i s p a p e r f o c u s e s o n t h e m a p b u i l d i n g a s p e c t o f o u r s y s t e m . A c o m p r e h e n s i v e a c c o u n t o f o u r v e c t o r f i e l d h i s t o g r a m( V F H ) o b s t a c l e a v o i d a n c e m e t h o d i s g i v e n i n p r e v i o u s p u b l i c a t i o n s 2 3 .T h e m o b i l e r o b o t u s e d i n t h i s r e s e a r c h i s C A R M E L ( C o m p u t e r - A i d e d R o b o t i c s f o r M a i n t e n a n c e , E m e r g e n c y , a n d L i f es u p p o r t ) . C A R M E L i s b a s e d o n a c o m m e r c i a l l y a v a i l a b l e m o b i l e p l a t f o r m w i t h a u n i q u e t h r e e - w h e e l d r i v e ( s y n c h r o - d r i v e )t h a t p e r m i t s o m n i d i r e c t i o n a l s t e e r i n g 4 . T h e C y b e r m a t i o n p l a t f o r m h a s a m a x i m u m t r a v e l s p e e d o f V , , , , = 0 . 7 8 m / s e c a n dw e i g h t s a b o u t 1 2 5 k g . W e e q u i p p e d t h i s v e h i c l e w i t h a r i n g o f 2 4 u l t r a s o n i c s e n s o r s 7 . I n o u r s y s t e m , t h e s o n a r s a r e s e tu p t o m e a s u r e d i s t a n c e s b e t w e e n 2 7 - 2 0 0 c m , a n d a c o m p l e t e p a n o r a m i c s c a n ( r e a d i n g s f r o m a l l 2 4 s e n s o r s ) t a k e s1 6 0 m s e c . A s p e c i a l s o n a r - f i r i n g a l g o r i t h m r e d u c e s c r o s s t a l k d r a m a t i c a l l y ( a r o u g h e s t i m a t e i s o n e e r r o n e o u s r e a d i n g d u e

t o c r o s s t a l k p e r 1 5 0 0 r a n g e r e a d i n g s ) .

7 4 / S P I E V o l . 1 3 8 8 M o b i l e R o b o t s V ( 1 9 9 0 )1Downloaded from SPIE Digital Library on 24 Sep 2010 to 141.212.132.99. Terms of Use: http://spiedl.org/terms


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2 . B A C K G R O U N DU l t r a s o n i c s e n s o r s a r e u s e d i n m a n y m o b i l e r o b o t s b e c a u s e o f t h e i r l o w p r i c e a n d e a s e o f o p e r a t i o n . U n l i k e v i s u a l i m a g eu l t r a s o n i c d a t a i s e a s i l y s a m p l e d a n d p r o c e s s e d . H o w e v e r , a n y s y s t e m b a s e d o n u l t r a s o n i c s e n s o r s m u s t c o p e w i t h t h e ii n h e r e n t l i m i t a t i o n s , n a m e l y : a ) p o o r d i r e c t i o n a l i t y ; b ) f r e q u e n t m i s r e a d i n g s d u e t o u l t r a s o n i c n o i s e f r o m e x t e r n a l s o u r c eo r s t r a y r e f l e c t i o n s f r o m n e i g h b o r i n g s e n s o r s ( i . e . , c r o s s t a l k ) ; a n d c ) s p e c u l a r r e f l e c t i o n s .A p o w e r f u l m e t h o d t o d e a l w i t h t h e p r o b l e m s o f u l t r a s o n i c s e n s o r s i s t h e p r o b a b i l i s t i c r e p r e s e n t a t i o n o f o b s t a c l e s i n a g r i dt y p e w o r l d m o d e l . O n e s u c h m e t h o d , c a l l e d t h e c e r t a i n t y g r i d , w a s d e v e l o p e d a t C a r n e g i e - M e l l o n U n i v e r s i t y ' 6 ( C M UW i t h t h e c e r t a i n t y g r i d w o r l d m o d e l , t h e r o b o t ' s w o r k a r e a i s r e p r e s e n t e d b y a t w o - d i m e n s i o n a l a r r a y o f s q u a r e e l e m e n td e n o t e d a s c e l l s . E a c h c e l l c o n t a i n s a c e r t a i n t y v a l u e ( C V ) t h a t i n d i c a t e s t h e m e a s u r e o f c o n f i d e n c e t h a t a n o b s t a c l e e x i sw i t h i n t h e c e l l a r e a . C v s a r e u p d a t e d b y a h e u r i s t i c p r o b a b i l i t y f u n c t i o n t h a t t a k e s i n t o a c c o u n t t h e c h a r a c t e r i s t i c s o fg i v e n s e n s o r . F o r e x a m p l e , u l t r a s o n i c s e n s o r s h a v e a c o n i c a l f i e l d o f v i e w . A t y p i c a l u l t r a s o n i c s e n s o r r e t u r n s a r a d i am e a s u r e o f t h e d i s t a n c e t o t h e n e a r e s t o b j e c t w i t h i n t h e c o n e , y e t d o e s n o t s p e c i f y t h e a n g u l a r l o c a t i o n o f t h e o b j e c t . T h u sa d i s t a n c e m e a s u r e m e n t d r e s u l t s f r o m a n o b j e c t l o c a t e d a n y w h e r e w i t h i n t h e a r e a A ( s e e F i g . 1 ) . H o w e v e r , a n o b j el o c a t e d n e a r t h e a c o u s t i c a x i s ( t h e c e n t e r o f t h e c o n e ) i s m o r e l i k e l y t o p r o d u c e a n e c h o t h a n a n o b j e c t f u r t h e r a w af r o m t h e a c o u s t i c a x i s 1 .

3 . R E A L - T I M E M A P B U I L D I N G W I T H H I M MM a p b u i l d i n g r e q u i r e s t h e d e f i n i t i o n o f a d a t a s t r u c t u r e a n d a m e t h o d t o u p d a t e i n f o r m a t i o n i n t h i s s t r u c t u r e . I n t hS e c t i o n w e d i s c u s s f e a t u r e s o f o u r d a t a s t r u c t u r e a n d t h e s p e c i a l r e q u i r e m e n t s f o r r e a l - t i m e m a p - b u i l d i n g .

3 . 1 T h e h i s t o g r w n g r i dH I M M u s e s a t w o - d i m e n s i o n a l C a r t e s i a n g r i d f o r o b s t a c l e r e p r e s e n t a t i o n , c a l l e d t h e h i s t o g r a m g r i d . L i k e t h e c e r t a i n tg r i d , e a c h c e l l i n t h e h i s t o g r a m g j i d h o l d s a c e r t a i n t y v a l u e ( C V ) t h a t r e p r e s e n t s t h e c o n f i d e n c e o f t h e a l g o r i t h m i n t he x i s t e n c e o f a n o b s t a c l e a t t h a t l o c a t i o n . T h e h i s t o g r a m g r i d d i f f e r s f r o m t h e c e r t a i n t y g r i d i n t h e w a y i t i s b u i l t a nu p d a t e d . C M U ' s m e t h o d p r o j e c t s a p r o b a b i l i t y p r o f i l e o n t o a l l t h o s e c e l l s a f f e c t e d b y a r a n g e r e a d i n g . T h i s p r o c e d u ri s c o m p u t a t i o n a l l y i n t e n s i v e a n d w o u l d i m p o s e a h e a v y t i m e - p e n a l t y o n r e a l - t i m e e x e c u t i o n b y a n o n b o a r d c o m p u t e r . O um e t h o d , o n t h e o t h e r h a n d , i n c r e m e n t s o n l y o n e c e l l i n t h e h i s t o g r a m g r i d f o r e a c h r a n g e r e a d i n g , c r e a t i n g a ' p s e u d op r o b a b i l i t y " d i s t r i b u t i o n * w i t h o n l y s m a l l c o m p u t a t i o n a l o v e r h e a d . F o r u l t r a s o n i c s e n s o r s , t h i s c e l l c o r r e s p o n d s t o t hm e a s u r e d d i s t a n c e d ( s e e F i g . l a ) a n d l i e s o n t h e a c o u s t i c a x i s o f t h e s e n s o r . W h i l e t h i s a p p r o a c h m a y s e e mo v e r s i m p l i f i e d , a p s e u d o - p r o b a b i l i s t i c d i s t r i b u t i o n i s a c t u a l l y o b t a i n e d b y c o n t i n u o u s l y a n d r a p i d l y s a m p l i n g e a c h s e n s ow h i l e t h e v e h i c l e i s m o v i n g . T h u s , t h e s a m e c e l l a n d i t s n e i g h b o r i n g c e l l s a r e r e p e a t e d l y i n c r e m e n t e d , a s s h o w n i n F i g . l bT h i s r e s u l t s i n a h i s t o g r a m i c p s e u d o - p r o b a b i l i t y d i s t r i b u t i o n , i n w h i c h h i g h c e r t a i n t y v a l u e s a r e o b t a i n e d i n c e l l s c l o s e tt h e a c t u a l l o c a t i o n o f t h e o b s t a c l e .I n o r d e r t o e v a l u a t e t h e a c c u r a c y o f t h i s m e t h o d , w e h a v e d e v e l o p e d a n i n d e x o f p e r f o n n a n c e ( T O P ) f o r g r i d - t y p e m a pb u i l d i n g 8 . T h i s l O P i s a m e a s u r e o f t h e w e i g h t e d a v e r a g e d i s t a n c e b e t w e e n a f i l l e d c e l l i n t h e g r i d a n d t h e c l o s e s t a c t u ao b s t a c l e b o u n d a r y . T h e m a t h e m a t i c a l f o r m u l a t i o n o f t h e l O P a s w e l l a s m o r e i m p l e m e n t a t i o n d e t a i l s a r e g i v e n i n p r e v i o u s p u b l i c a t i o n 8 . F o r c o m p a r i s o n , w e h a v e i m p l e m e n t e d o n e v e r s i o n o f t h e c e r t a i n t y g r i d m e t h o d 6 . I n e x p e r i m e n t ar u n s t h r o u g h n u m e r o u s o b s t a c l e c o u r s e s w e f o u n d t h a t H I M M c o n s i s t e n t l y p r o d u c e d s i g n i f i c a n t l y m o r e a c c u r a t e m a p s 8

W e a c c r e d i t t h i s r e s u l t t o t h e f a c t t h a t r a p i d , i n - m o t i o n s a m p l i n g p r o d u c e s m a n y m o r e u s e f u l r e a d i n g s t h a n t h e c e r t a i n tg r i d m e t h o d , w h i c h a s s e m b l e s r e a d i n g s f r o m o n l y a f e w ( s t a t i o n a r y ) p o s i t i o n s . H I M M , o n t h e o t h e r h a n d , s h o w s o b j e c tf r o m c o n s t a n t l y c h a n g i n g a n g l e s a n d p o s i t i o n s , s i n c e o n e p a n o r a m i c " s n a p s h o t ' ( i . e . , 2 4 r e a d i n g s ) i s a s s e m b l e d e v e r y 81 3 c m o f t r a v e l .

* W e u s e t h e t e r m p s e u d o - p r o b a b i l i t y i n t h e l i t e r a l s e n s e o f N p r o b a b j / j t y a o r N l l k e l i h o o d u , i n c o n t r a s t t o t h e s t r i cm a t h e m a t i c a l s e n s e o f N p r o b a b j / j t y l

S P I E V o l . 1 3 8 8 M o b i l e R o b o t s V ( 1 9 9 0 ) / 7

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3/8

W h e n a r a n g e m e a s u r e m e n t d i s r e t u r n e d f r o m a n u l t r a s o n i c s e n s o r , i t i s r e a s o n a b l e t o a s s u m e ( a l t h o u g h n o t a l w a y s t r u e )t h a t t h e s e c t o r b o u n d e d b y S a n d A ( s e e F i g . l a ) i s f r e e o f o b s t a c l e s . O n e m a y t h u s d e c r e m e n t c e l l s i n t h a t a r e a . T h i sf u n c t i o n i s d e s i r a b l e , , a s i t " c l e a r s " t h e a r e a f r o m e r r o n e o u s r e a d i n g s . I n o u r i m p l e m e n t a t i o n , o n l y t h o s e c e l l s t h a t a r el o c a t e d o n t h e l i n e c o n n e c t i n g c e n t e r c e l l C , a n d o r i g i n c e l l C 0 ( i . e . , t h e a c o u s t i c a x i s ) a r e d e c r e m e n t e d .A f m a l n o t e c o n c e r n s t h e a c t u a l i m p l e m e n t a t i o n o f 1 1 1 M M : W h e n e v e r a c e l l i s i n c r e m e n t e d , t h e i n c r e m e n t ( d e n o t e d I )i s a c t u a l l y 3 ( n o t 1 , a s m a y b e e x p e c t e d ) a n d t h e m a x i m u m C V o f a c e l l i s l i m i t e d t o C V m 1 5 . D e c r e m e n t s ( d e n o t e dr ) , h o w e v e r , t a k e p l a c e i n s t e p s o f - 1 a n d t h e m i n i m u m v a l u e i s C V m , n 0 . I n c r e m e n t s a r e l a r g e r t h a n d e c r e m e n t s b e c a u s e

7 6 / S P I E V o l . 1 3 8 8 M o b i l e R o b o t s V ( 1 9 9 0 )

S o n a r D i r e c t i o no f m o t i o n

a . O n l y o n e c e l l i s i n c r e m e n t e d f o r e a c h r a n g e r e a d i n g . W i t h u l t r a s o n i c s e n s o r s , t h i s i s t h e c e l l t h a tl i e s o n t h e a c o u s t i c a x i s a n d c o r r e s p o n d s t o t h e m e a s u r e d d i s t a n c e d .b . A h i s t o g r a m i c p r o b a b i l i t y d i s t r i b u t i o n i s o b t a i n e d b y c o n t i n u o u s a n d r a p i d s a m p l i n g o f t h es e n s o r s w h i l e t h e v e h i c l e i s



4/8

o n l y o n e c e l l i s i n c r e m e n t e d f o r e a c h r e a d i n g , w h e r e a s m u l t i p l e c e l l s a r e d e c r e m e n t e d ( i . e . , a l l c e l l s b e t w e e n C a n d C 0i n F i g . l a ) .3 . 2 F a s t m a p p i n g f o r r e a l - t i m e o b s t a c l e a v o i d a n c e

I n a d d i t i o n t o p r o d u c i n g m a p s , H I M M a l s o p r o v i d e s i n s t a n t a n e o u s e n v i r o n m e n t a l i n f o r m a t i o n f o r u s e b y t h e i n t e g r a t eo b s t a c l e a v o i d a n c e a l g o r i t h m . T o u n d e r s t a n d h o w t h i s f u n c t i o n i s s u p p o r t e d , i t i s n e c e s s a r y t o m e n t i o n s o mc h a r a c t e r i s t i c s o f o u r v e c t o r f i e l d h i s t o g r a m ( V F H ) m e t h o d f o r r e a l - t i m e o b s t a c l e a v o i d a n c e .T h e r e s p o n s e o f o u r V F H a l g o r i t h m i s p r o p o r t i o n a l t o t h e s q u a r e o f a C V . W e w i l l c a l l t h i s t h e s q u a r e d c e r t a i n t y v a l u e( S C V ) . F o r e x a m p l e , i f f i v e r e a d i n g s h a v e i n c r e m e n t e d a p a r t i c u l a r c e l l ( i j ) , t h e n C V , = 5 x 3 = 1 5 , a n d S C V , d = ( 1 5 ) 2 = 2 2 5W e i n t r o d u c e t h e S C V t o e x p r e s s o u r c o n f i d e n c e t h a t r e c u r r i n g r a n g e r e a d i n g s r e p r e s e n t a c t u a l o b s t a c l e s ( a s o p p o s et o s i n g l e r e a d i n g s , w h i c h m a y b e c a u s e d b y n o i s e o r c r o s s t a l k ) .F u r t h e r m o r e , t h e V F H o b s t a c l e a v o i d a n c e r e s p o n s e i s s t r o n g e r w h e n a c l u s t e r o f S C V s i s e n c o u n t e r e d , w h e r e a s s i n g l eu n c l u s t e r e d c e l l s p r o v o k e o n l y a m i l d r e s p o n s e . F o r t h i s r e a s o n , w e w i l l d e f i n e t h e t e r m o b s t a c l e c l u s t e r s t r e n g t h ( O C Sa s t h e s u m o f a l l S C V s i n a c e r t a i n c l u s t e r ( i . e . , a g r o u p i n g o f n e i g h b o r i n g c e l l s w i t h C V > 0 ) .

S P I E V o l . 1 3 8 8 M o b i l e R o b o t s V ( 1 9 9 0 ) / 7

O b s t a c l e

W i t h a m a x i m u m r a n g e o f R m 2 O O C m a n d a m i n i m a l a v o i d a n c e d i s t a n c e D = 1 0 0 c m , C A R M E L h a s1 . 2 8 s e c t o p r o d u c e a n O C S s t r o n g e n o u g h t o c a u s e a n a v o i d a n c e m a n e u v e r .F i g . 2 :

m o x 2 O O c m



5/8

H I M M , a s e x p l a i n e d s o f a r , w o r k s v e r y w e l l f o r s l o w - m o v i n g v e h i c l e s ; y e t w h e n a v e h i c l e i s t r a v e l i n g a t r e l a t i v e l y h i g hs p e e d s ( e . g . , V , , , > O . 5 m / s e c ) , m a t t e r s a r e m o r e c o m p l i c a t e d . T h e f o l l o w i n g e x a m p l e e x p l a i n s o n e o f t h e s e p r o b l e m s .S u p p o s e C A R M E L a p p r o a c h e s a t h i n v e r t i c a l p o l e w h i l e t r a v e l i n g a t i t s m a x i m u m s p e e d V , = O . 7 8 m / s e c . T o a v o i d ac o l l i s i o n a t t h i s s p e e d , C A R M E L m u s t b e g i n a n a v o i d a n c e m a n e u v e r a t a d i s t a n c e o f a p p r o x i m a t e l y D = 1 0 0 c m f r o m t h eo b s t a c l e , a s s h o w n i n F i g . 2 . T h e o b s t a c l e i s i n i t i a l l y d e t e c t e d b y t h e r o b o t a t R , , , = 2 0 0 c m . T h u s , t h e H I M M a l g o r i t h mh a s a t m o s t t = ( R , , , - D ) / V = 1 . 2 8 s e c t o p r o d u c e a n O C S s t r o n g e n o u g h t o c a u s e a n a v o i d a n c e m a n e u v e r . S i n c e e a c hs e n s o r i s s a m p l e d o n c e e v e r y 7 = l 6 O m s e c , t h e r o b o t c a n s a m p l e a t m o s t n = t / 7 , = 8 r e a d i n g s f r o m t h e s a m e s e n s o r ( f o rs i m p l i c i t y , w e a s s u m e h e r e t h a t o n l y o n e s e n s o r c a n ' s e e " t h e o b j e c t , a s i s o f t e n t h e c a s e w i t h t h i n v e r t i c a l p o l e s o r p i p e s ) .n c i s t h e c r i t i c a l n u m b e r o f r e a d i n g s n e e d e d t o p r o v o k e a n a v o i d a n c e m a n e u v e r .

A m a p b u i l d i n g a l g o r i t h m f o r s i m u l t a n e o u s r e a l - t i m e o b s t a c l e a v o i d a n c e m u s t t h u s b u i l d a s i g n i f i c a n t O C S q u i c k l y a n df r o m f e w r e a d i n g s , w h i l e m a i n t a i n i n g h i g h c o n t r a s t w i t h e r r o n e o u s r e a d i n g s . T h i s t a s k i s f u r t h e r c o m p l i c a t e d b y i n - m o t i o ns a m p l i n g , a s t h e f o l l o w i n g e x a m p l e s h o w s :

W h e n a s t a t i o n a , y u l t r a s o n i c s e n s o r i s r e p e a t e d l y s a m p l e d , i t w i l l a l w a y s i n c r e m e n t t h e s a m e c e l l f o r a n o b s t a c l e , e v e ni f t h a t c e l l d o e s n o t a c c u r a t e l y c o r r e s p o n d t o t h e o b s t a c l e . A f t e r n r e a d i n g s , t h e C V o f t h a t c e l l w i l l r e a c h t h e m a x i m u mv a l u e , C V = 1 5 , w i t h a n O C S = 1 5 2 2 2 5 . I n - m o t i o n s a m p l i n g , o n t h e o t h e r h a n d , w i l l u s u a l l y c a u s e t h e s a m e n s o n a rr e a d i n g s t o b e s c a t t e r e d o v e r s e v e r a l n e i g h b o r i n g c e l l s , e v e n w h e n t h e o b s t a c l e i s a t h i n p o l e . T h i s m i g h t r e s u l t i n a c l u s t e rs u c h a s t h e o n e s h o w n i n F i g . 3 a . I n t h i s e x a m p l e , e i g h t r a n g e r e a d i n g s w e r e t a k e n a n d p r o j e c t e d o n t o t h e h i s t o g r a m g f i di n t h e f o l l o w i n g o r d e r : t w o r e a d i n g s - c e l l a ; t w o r e a d i n g s - c e l l b ; o n e r e a d i n g e a c h c e l l s c , d , e , a n d f . T h i s c l u s t e r y i e l d so c s = 6 2 + 6 2 + 3 2 + 3 2 3 2 + 3 2 1 0 8 , w h i c h i s l e s s t h a n t h e O C S t h a t w o u l d r e s u l t f r o m t h e s a m e n u m b e r o f r e a d i n g s b ya s t a t i o n a r y s e n s o r ( i . e . , O C S = 2 2 5 s i n c e a l l r e a d i n g s a r e r e g i s t e r e d i n a s i n g l e c e l l ) .

0 . 5 0 . 5 0 . 50 . 5 1 0 . 50 . 5 0 . 5 0 . 5

- 0 0 1 5C1 2 d 1 5 e 1 5

a 6 6 1 2 0

T o c o m p e n s a t e f o r t h i s a d v e r s e s c a t t e r i n g e f f e c t ( c a u s e d b y i n - m o t i o n s a m p l i n g ) , w e i n t r o d u c e a m e t h o d t o i n c r e a s e t h eo c s g r o w t h r a t e . T h i s m e t h o d u s e s a g r o w t h r a t e o p e r a t o r ( G R O ) t o i n c r e m e n t a c e l l ( i , j ) f a s t e r w h e n t h e i m m e d i a t en e i g h b o r s o f t h e c e l l h o l d h i g h C V s . T h i s f u n c t i o n i s i m p l e m e n t e d i n r e a l - t i m e b y c o n v o l v i n g C V w i t h t h e 3 x 3 m a s k g i v e ni n F i g . 3 b , a n d a d d i n g t h e i n c r e m e n t I = 3 , y i e l d i n g


b I ,F i g . 3 : a . I n - m o t i o n s a m p l i n g c a u s e s s o n a r r e a d i n g s o f a n o b j e c t t o b e s c a t t e r e d o v e r s e v e r a l c e l l s ,r e s u l t i n g i n a l o w o b s t a c l e c l u s t e r s t r e n g t h ( O C S ) .b . 3 x 3 m a s k f o r t h e g r o w t h r a t e o p e r a t o r ( G R O ) .c . W i t h t h e G R O , O C S s a r e b u i l t u p f a s t a n d f r o m f e w r e a d i n g s .



6/8

0 6 6 1 )o qo 1 yp qo jg jI d Sp qot pyo q ot pl O A l ?o q o . it pu iu 8w 8 o j s n jio up m i o d w aio i q oi poo i o j2 u t p O Lq : n s1q on A o wj r u p ip r n q d xuo pI N I H' ji o j qo i du pO t J f l j O So p o i d&j &j UO Wqip q oo u q dq suj n o q su it j j n s ip u qp oo P Aip i onp o un wi q o g ip u qu oo2 qoo wpu j p t pj n q n z n i m dmr n p O M ?p s q oui p p n q - d t t ui o u

S 1 D 3 f f l 0N I A O IP J 31 O 2 S f l p u no j &q so j jl f l S f luc j w o p w ud di j i s s o ro g S p )u p o in o o u o i is U p 1 ?f l O O U O 1 JOPJ J OUO1 ?1 DqIpi o t i si

6 6z T+ T+z T+zT+zT+9D O tu p j n s iTq J .?o n d w oia / s n / ai t poot L L' dO q Sl d J s n / ap q oM' ( i p i o O U f l ?t j lp p d nu i1 ij pi u i n s s i )oj d u n xqw v . t 8 o ; s n , cpp d nT )s f l d( o u )o j a i e d oj e j, i o j 5qU s noO e f l d W O Oi d w e x 31qe

s e n e A. i e i o d w eo t i e p)s.XW A Oe w Ii eA Oi io j

t =_E+c +o =;+3)+I+;=; t=c _E+c +o =p+q)+i+e=e c t+c +o =3 + q+ ) + + I + p = p 6C +O =q - 1 - ) + +I +o = oCC +9 =) ++I +q = q (9)=c o =) + i + q= q 9+ C =I+= ( )

1 A 31 3 3U T P 3 U

p u 8w 8 o j s n jpu op f o i dii p in un p I A i p u ipi j d d'i oi( p j d u n so q s qo jo x 1 dI O A Ojddio idoiqM)wq11 jESAa n d w o Di o i i i o d os wj i J u nJ O P ?n qi M '(+ 1 )U W JUif l S UO 3 ' I s mI DiI p u n u J z ui p( [' i ' )pon v a, u v J J a ap d nA D

' ( 1 ' : )pon m ip u a an o y i dA DO = b = d 1 o J T = ' Mu ' T ; = b p u T ; = d 1 o J c o = Mj I I M

=b d ( ib 1 . A Dd 1 4 )1' A DDIb d



7/8

m o v e s o n , s u b s e q u e n t r a n g e r e a d i n g s d e t e c t t h e e m p t y s p a c e a n d , a c c o r d i n g l y , d e c r e m e n t t h e t e m p o r a r i l y h i g h C V s . T h er e s u l t i n g m a p u s u a l l y s h o w s o n l y a f a i n t t r a c e o f t h e p a t h o f t h e o b j e c t , w h i c h d o e s n o t c a u s e t h e r o b o t t o a v o i d a' p h a n t o m " o b j e c t . S u b s e q u e n t r o b o t t r a v e l t h r o u g h t h e p a t h o f t h e o b j e c t e r a s e s t h e t r a i l c o m p l e t e l y .

F i g . 4 s h o w s a n e x p e r i m e n t w i t h m o v i n g o b j e c t s . T h r e e l a y e r s o f i n f o r m a t i o n a r e d e p i c t e d i n t h i s f i g u r e :1 . T h e r o b o t ' s p a t h , s t a r t i n g a t ' 5 ' a n d e n d i n g a t ' T ' , i s p l o t t e d a s t h e c u r v e d l i n e . T h i s p a t h r e s u l t e d f r o m a n a c t u a l r u no f o u r m o b i l e r o b o t , w i t h r e a l - t i m e o b s t a c l e a v o i d a n c e b y t h e V F H m e t h o d .

2 . O b s t a c l e s a n d w a l l s a r e o u t l i n e d b y s o l i d l i n e s . T h e o b j e c t s l a b e l e d " P a r t i t i o n " i s a t w o - i n c h - t h i c k s t y r o f o a m s h e e t s .T h e o b j e c t l a b e l e d ' P o l e " i s a 3 / 4 i n c h c a r d b o a r d p i p e , a n d t h e o b j e c t l a b e l e d ' B o x " i s a c a r d b o a r d b o x .3 . T h e h i s t o g r a m g r i d i s a l s o s h o w n i n F i g . 4 . E m p t y c e l l s a r e n o t i n d i c a t e d , w h i l e s m a l l b l a c k r e c t a n g l e s ( b l o b s ) r e p r e s e n tf i l l e d c e l l s . E a c h c e l l r e p r e s e n t s a r e a l - w o r l d s q u a r e o f s i z e l O c m x l O c m . O n t h e c o m p u t e r s c r e e n , C V s a r e c o d e d w i t ha d i f f e r e n t c o l o r f o r e a c h o n e o f t h e 1 6 p o s s i b l e C V s ( r a n g i n g f r o m 0 t o 1 5 ) . T h i s e f f e c t c a n n o t b e r e p r o d u c e d i n t h es c r e e n - d u m p o f F i g . 4 a , b u t c l a s s e s o f l o w , m e d i u m , a n d h i g h C V s c a n b e d i s t i n g u i s h e d b y d i f f e r e n t b l o b s i z e s , a sd e s c r i b e d i n F i g . 4 a .F i g . 4 s h o w s C A R M E L ' s p a t h a f t e r a c c e l e r a t i n g a n d r u n n i n g a t i t s m a x i m u m s p e e d , O . 7 8 m / s e c . A t t 0 ( w i t h C A R M E La t R , i n F i g . 4 a ) , a p e r s o n s t a r t s t o w a l k i n t o t h e r o b o t ' s p a t h . T h e p e r s o n ' s s t a r t i n g p o s i t i o n i s P 0 a n d h e w a l k s i n t h ed i r e c t i o n i n d i c a t e d b y t h e a r r o w . A t t 1 , t h e O C S ( d u e t o t h e m o v i n g p e r s o n ) g r o w s s t r o n g e n o u g h t o p r o v o k e a s i g n i f i c a n to b s t a c l e a v o i d a n c e r e s p o n s e , a n d t h e r o b o t t a k e s a s h a r p t u r n t o t h e r i g h t . N o t e t h e C V s r e p r e s e n t i n g t h e w a l k i n g p e r s o n .D u r i n g t h e a v o i d a n c e m a n e u v e r ( F i g . 4 b ) , t h e r o b o t s l o w s d o w n c o n s i d e r a b l y , w h i l e t h e p e r s o n c o n t i n u e s w a l k i n g a t as t e a d y p a c e , l e a v i n g a t r a i l o f m e d i u m - t o - h i g h C V s . T h i s t r a i l , h o w e v e r , i s e r o d e d b y t h e d e c r e m e n t i n g f u n c t i o n o f f r e e


B l o b C V C V \i z e R a n g e C l a s s w a i l s- 5 l o w . . - . - - . - - , -- 6 - 1 3 m e d . T1 3 - 1 5 h i g h[ m ] j B o x4 F 03 7 - - - - - . ; . -P e r s o n

2 m o v e st 0 Jf t P a r t i t i o nS1

. i 2 3 4 1 m ]P 1 8 F I G 7 . F ' C X 7 / 1 / 9 0

F i g . 4 : a . C A R M E L d e t e c t s a n d a v o i d s a p e r s o n s u d d e n l y s t e p p i n g i n t o i t s p a t h .b . A f t e r c o m p l e t i n g t h e t a s k , t h e h i s t o g r a m g r i d s h o w s o n l y a f a i n t t r a i l o f t h e p e r s o n 's p a t h .



8/8

s p a c e i m p l e m e n t e d i n H I M M . W i t h i n o n e o r t w o s e c o n d s , C V s i n t h e t r a i l a r e d e c r e m e n t e d t o v a l u e s s m a l l e n o u g h t oa l l o w t h e r o b o t t o p a s s t h r o u g h t h e t r a i l , b e h i n d t h e w a l k i n g p e r s o n . T h e d i a g r a m i n F i g . 4 b s h o w s t h e s c r e e n a f t e r t h er o b o t s u c c e s s f u l l y r e a c h e s i t s o r i g i n a l t a r g e t T . N o t e h o w C V s a l o n g t h e p e r s o n ' s t r a i l h a v e b e e n r e d u c e d t o l o w v a l u e sA p p l i c a t i o n o f a r e a s o n a b l e t h r e s h o l d ( e . g . , C V t h r e , 1 2 ) w o u l d r e s u l t i n a p e r m a n e n t m a p t h a t d o e s n o t s h o w a n y o f t h et e m p o r a r y p a t h o f t h e m o v i n g p e r s o n .

5 . C O N C L U S I O N SH I M M , a n e w m e t h o d f o r c o m b i n e d r e a l - t i m e m a p b u i l d i n g a n d o b s t a c l e a v o i d a n c e h a s b e e n i n t r o d u c e d a n d t e s t e d . It h i s m e t h o d , i n a c c u r a t e u l t r a s o n i c s e n s o r d a t a i s p s e u d o - p r o b a b i l i s t i c m o d e l e d i n a t w o - d i m e n s i o n a l h i s t o g r a m g f i d . As t a t i s t i c a l r e p r e s e n t a t i o n i s o b t a i n e d t h r o u g h r a p i d , c o n t i n u o u s s a m p l i n g o f t h e s e n s o r s d u r i n g m o t i o n . W i t h H I M M , a n yr a n g e r e a d i n g i s i m m e d i a t e l y r e p r e s e n t e d i n t h e m a p a n d h a s i m m e d i a t e i n f l u e n c e o n t h e c o n c u r r e n t o b s t a c l e a v o i d a n ca l g o r i t h m .F u r t h e r o p t i m i z a t i o n , b y m e a n s o f t h e g r o w t h r a t e o p e r a t o r ( G R O ) a l l o w s t h e H I M M m e t h o d t o b u i l d h i g h - c o n t r a sr e p r e s e n t a t i o n s b a s e d o n o n l y a f e w r a n g e r e a d i n g s . T h i s f e a t u r e a l l o w s t h e r o b o t t o r e a c t q u i c k l y t o o b s t a c l e s t h a t a p p e a rs u d d e n l y , e v e n w h e n t r a v e l i n g a t h i g h s p e e d s .M o v i n g o b j e c t s i n t h e r o b o t ' s p a t h a r e t r e a t e d a s o b s t a c l e s a n d c a n b e a v o i d e d b y t h e o b s t a c l e a v o i d a n c e a l g o r i t h mH o w e v e r , C V s i n t h e t r a i l a r e d e c r e m e n t e d t o v a l u e s t h a t a l l o w t h e r o b o t t o p a s s t h r o u g h t h e t r a i l , o n c e t h e o b j e c t h am o v e d o n . T h e r e s u l t i n g p e n n a n e n t m a p i s f r e e o f t r a c e s o f t h e m o v i n g o b j e c t s a n d c a n b e u s e d f o r s u b s e q u e n t g l o b ap a t h p l a n n i n g .

6 . A C K N O W L E D G M E N T ST h i s w o r k w a s s p o n s o r e d b y t h e D e p a r t m e n t o f E n e r g y G r a n t D E - F G O 2 - 8 6 N E 3 7 9 6 9 .

7 . R E F E R E N C E S1 . B o r e n s t e i n , J . a n d K o r e n , Y . , " O b s t a c l e A v o i d a n c e W i t h U l t r a s o n i c S e n s o r s . " I E E E J o u r n a l o f R o b o t i c s a n dA u t o m a t i o n , V o l . R A - 4 , N o . 2 , 1 9 8 8 , p p . 2 1 3 - 2 1 8 .

2 . B o r e n s t e i n , J . a n d K o r e n , Y . , " R e a l - t i m e O b s t a c l e A v o i d a n c e f o r F a s t M o b i l e R o b o t s i n C l u t t e r e d E n v i r o n m e n t s . "1 9 9 0 I E E E I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n R o b o t i c s a n d A u t o m a t i o n , C i n c i n n a t i , O h i o , M a y 1 3 - 1 8 , 1 9 9 0 .

3 . B o r e n s t e i n , J . a n d K o r e n , Y . , " T h e V e c t o r F i e l d H i s t o g r a m - F a s t O b s t a c l e A v o i d a n c e f o r M o b i l e R o b o t s . " S u b m i t t e df o r p u b l i c a t i o n i n t h e I E E E J o u r n a l o f R o b o t i c s a n d A u t o m a t i o n , J u l y 1 9 8 9 .4 . C y b e r m a t i o n , " K 2 A M o b i l e P l a t f o r m . " C o m m e r c i a l O f f e r , 5 4 5 7 J A E V a l l e y R o a d , R o a n o k e , V i r g i n i a 2 4 0 1 4 .

5 . E l f e s , A , " U s i n g O c c u p a n c y G r i d s f o r M o b i l e R o b o t P e r c e p t i o n a n d N a v i g a t i o n . " C o m p u t e r M a g a z i n e , J u n e 1 9 8 9 , p p .4 6 - 5 7 .6 . M o r a v e c , H . P . a n d E l f e s , A . , " H i g h R e s o l u t i o n M a p s f r o m W i d e A n g l e S o n a r . " P r o c e e d i n g s o f t h e I E E E C o n f e r e n c eo n R o b o t i c s a n d A u t o m a t i o n , W a s h i n g t o n , D . C . , 1 9 8 5 , p p . 1 1 6 - 1 2 1 .7 . P O L A R O I D C o r p o r a t i o n , U l t r a s o n i c C o m p o n e n t s G r o u p , 1 1 9 W i n d s o r S t r e e t , C a m b r i d g e , M a s s a c h u s e t t s 0 2 1 3 9 .8 . R a s c h k e , U . a n d B o r e n s t e i n , J . , " A M e a s u r e o f P e r f o r m a n c e f o r G r i d - t y p e M a p - b u i l d i n g T e c h n i q u e s . " 1 9 9 0 I E E EI n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n R o b o t i c s a n d A u t o m a t i o n , C i n c i n n a t i , O h i o , M a y 1 3 - 1 8 , 1 9 9 0 .

S P I E V o l . 1 3 8 8 M o b i l e R o b o t s V ( 1 9 9 0 ) / 8 1

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