Frontier-based Autonomous 3D : Exploration for UAVs

Abstract

Autonomous exploration is a crucial task that enables a mobile robot to navigate through unfamiliar environments while simultaneously mapping the surroundings. By acquiring a comprehensive understanding of the environment, the vehicle can navigate safely and efficiently, determining the shortest obstacle-free paths to reach any location within the map. Exploration forms a fundamental component of various mobile robotic applications, including scene reconstruction, search and rescue operations, and continuous monitoring. Initially, autonomous exploration was primarily implemented using Unmanned Ground Vehicles (UGVs), which

offered robustness and extended autonomy. However, UGVs were limited to op- erating in a 2D space, restricting coverage range and the amount of information gathered. With the advancements in Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) and their increased autonomous capabilities, along with reduced manufacturing costs, UAVs have emerged as a promising solution to overcome these limitations and significantly expand the boundaries of robotic exploration due to their flexibility and expanded coverage range. Nevertheless, implementing autonomous exploration with UAVs introduces additional complexity due to the three-dimensional (3D) operating space.

gathered. With the advancements in Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) and their increased autonomous capabilities, along with reduced manufacturing costs, UAVs have emerged as a promising solution to overcome these In this context, this thesis project aims to design and implement an explo- ration algorithm that enables a UAV to autonomously navigate unexplored en- vironments. This is accomplished by establishing an exploration strategy that not only ensures a fast exploration but also provides a meticulous analysis of the environment, thereby reducing the risk of local minima. The proposed approach uses a LiDAR sensor as the primary source of information. This data informs a frontier-based exploration technique [16] integrated within the OctoMap Frame- work [9], facilitating efficient and rapid map analysis. The proposed approach strives to strike a balance between the exploration of the unknown and the exploitation of known map data. The exploitation compo- nent, driven by a greedy behavior, seeks to minimize travel distance by targeting the nearest exploration point. Conversely, exploration is facilitated by storing all detected exploration targets throughout the process.

L'exploració autònoma és una tasca crucial que permet a un robot mòbil navegar per entorns desconeguts mentre mapeja alhora els voltants. En adquirir una comprensió completa de l'entorn, el vehicle pot navegar de manera segura i eficient, determinant els camins més curts sense obstacles per arribar a qualsevol ubicació del mapa. L'exploració forma un component fonamental de diverses aplicacions robòtiques mòbils, incloent la reconstrucció d'escenes, operacions de cerca i rescat, i el monitoratge continu. Inicialment, l'exploració autònoma es va implementar principalment utilitzant vehicles terrestres no tripulats (UGVs), que oferien robustesa i autonomia estesa. No obstant això, els UGVs estaven limitats a operar en un espai 2D, restringint l'abast de cobertura i la quantitat d'informació recollida. Amb els avenços en vehicles aèris no tripulats (UAVs) i les seves millores en les capacitats autònomes, juntament amb la reducció dels costos de fabricació, els UAVs han emergit com una solució prometedora per superar aquestes reunits. Amb els avenços en Vehicles Aèris Sense Pilot (UAVs) i les seves capacitats autònomes millorades, juntament amb la reducció dels costos de fabricació, els UAVs han emergit com una solució prometedora per superar aquestes limitacions i expandir significativament les fronteres de l'exploració robòtica gràcies a la seva flexibilitat i àrea de cobertura ampliada. No obstant això, implementar l'exploració autònoma amb UAVs introdueix una complexitat addicional a causa de l'espai operatiu tridimensional (3D). En aquest context, aquest projecte de tesi té com a objectiu dissenyar i implementar un algorisme d'exploració que permeti a un UAV navegar de manera autònoma per entorns no explorats. Això s'aconsegueix establint una estratègia d'exploració que no només assegura una exploració ràpida, sinó que també proporciona una anàlisi meticulosa de l'entorn, reduint així el risc de mínimes locals. L'enfocament proposat utilitza un sensor LiDAR com a font principal d'informació. Dades informen una tècnica d'exploració basada en fronteres [16] integrada dins del marc d'OctoMap [9], facilitant una anàlisi de mapa eficient i ràpida. L'enfocament proposat busca equilibrar l'exploració del desconegut i l'explotació de dades de mapa conegudes. El component d'explotació, impulsat per un comportament groller, busca minimitzar la distància de viatge apuntant al punt d'exploració més proper. A l'inrevés, l'exploració es facilita emmagatzemant tots els objectius d'exploració detectats durant el procés.