Datta S, Akella S. Prioritized indoor exploration with a dynamic deadline[C]//2021 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). IEEE, 2021: 3131-3137. 北卡罗来纳大学夏洛特分校 PDF

1. 摘要

观点：当前使用移动机器人的室内探索通常专注于探索整个环境，而不考虑探索过程的时间限制。

预设场景：危险场景（火灾，辐射区域）会对机器人造成损坏，动态估计损坏时间作为deadline，因此机器人必须在有限时间内完成对场景的最大化探索并返回起点。

动态截止日期下的优先级室内探索算法：提出了一种基于优先级的探索策略，使机器人能够在未知的动态截止日期约束下，尽可能多地探索室内环境的几何结构和连通性，并在截止日期前返回起始位置。

探索的基础是首先访问未知环境的高优先级区域，并在时间允许的情况下访问低优先级区域。

2. 方法

任务定义

定义$t_a$为报警时间，$t_r$为截止时间。机器人的目标是识别环境连通性并最大化探索当前场景，并需要再$t_a + t_r$的时间内返回到起点。

在每次迭代中，机器人选择一个优先级最高的目标顶点$v_t∈V_d$，并计算其成本最小的路径。

2.1 优先级探索算法

将探索环境表示为图形

使用图形模型来表示探索过的环境，其中顶点代表物理位置及其几何和语义信息，根据区域形状为顶点设置标签，例如“走廊”、“小房间”等。边代表可行的路径。使用激光雷达传感器和SLAM算法从机器人的运动和感知数据中生成占据网格图，并将其转化为骨架图作为探索图。

为发现的顶点分配优先级

根据顶点所在区域的类型（如走廊、大房间、小房间）分配不同的优先级，走廊具有最高的优先级，因为它们通常连接了更多的区域，大房间的优先级高于小房间。

使用基于几何的规则分类方法来识别顶点所在区域的类型。

根据是否收到截止日期 $t_r$，遵循带有截止日期或不带截止日期的探索算法进行探索

根据是否收到截止日期，采用不同的探索算法。

• 在没有截止日期时，机器人贪婪地选择优先级最高的顶点进行访问。如果有优先级相同的顶点，选择代价最小的点进行探索。
• 在有截止日期时，
  • 选择能够在截止日期前返回起始位置的优先级最高的顶点进行访问
  • 如果没有足够的时间返回起始位置，机器人尽可能探索最大的区域，直到截止日期。

2.2 仿真环境

环境搭建

以图表的形式表示三种室内环境

在gazebo中绘制对应的室内场景

评价指标

比较基于成本和基于优先级的探索策略的探索效率，即相同时间内的探索百分比

3. 实验

(a)为基于成本的探索策略，(b)为基于优先级的探索策略。在1000秒的时间限制内，(a)探索了37%，(b)探索了56%.

通过轨迹可知，基于优先级的探索会先对所有走廊进行探索，最大化得到场景的结构信息和探索面积

在不同的截止日期下，优先级探索策略在所有环境中都比成本探索策略探索了更多的区域。通过优先访问走廊顶点，优先级探索策略能够更快地发现更多的顶点，从而提高了整体探索百分比。优先级探索策略也能够适应SLAM算法、移动机器人传感器噪声和区域分类错误等挑战。