Autonomous Mobile Robot System for Long Distance Outdoor Navigation in University Campus

8/6/2019 Autonomous Mobile Robot System for Long Distance Outdoor Navigation in University Campus

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A u t o n o m o u s M o b i l e R o b o t S y s t e m

f o r L o n g D i s t a n c e

O u t d o o r N a v i g a t i o n

i n U n i v e r s i t y C a m p u s

S h o i c h i M A E Y A M A , A k i h i s a O H Y A a n d S h i n ' i c h i Y U T A

I n t e l l i g e n t R o b o t L a b o r a t o r y

I n s t i t u t e o f I n f o r m a t i o n S c i e n c e a n d E l e c t r o n i c s

U n i v e r s i t y o f T s u k u b a

T s u k u b a , I b a r a k i , 3 0 5 J A P A N

p h o n e : + 8 1 - 2 9 8 - 5 3 - 5 1 5 5 f a x : + 8 1 - 2 9 8 - 5 3 - 6 4 7 1

E m a i l : m a e y a m a @ r o b o k e n . i s . t s u k u b a . a c . j p

K e y w o r d s : D e v e l o p m e n t o f a n a u t o n o m o u s m o b i l e r o b o t ,

O u t d o o r n a v i g a t i o n a n d E x e c u t i o n m o n i t o r .

A b s t r a c t

W e a r e d e v e l o p i n g a s e l f - c o n t a i n e d a n d a u t o n o m o u s m o -

b i l e r o b o t t o n a v i g a t e i t s e l f i n o u r u n i v e r s i t y c a m p u s . I n

t h i s p a p e r , w e d i s c u s s o n t h e i m p o r t a n t i s s u e s t o r e a l i z e t h e

r o b o t w h i c h h a s a n i n t e l l i g e n c e a n d r o b u s t n e s s f o r o u t d o o r

n a v i g a t i o n . T h e n , w e r e p o r t o u r m o b i l e r o b o t \ Y A M A B I C O

N A V I " , w h i c h i s i n t e g r a t e d m a n y f u n c t i o n s s u c h a s l o c o m o -

t i o n , p o s i t i o n e s t i m a t i o n a n d s e n s o r s t o d e t e c t l a n d m a r k s

a n d o b s t a c l e s a s a n e x a m p l e o f s u c h a r o b o t . F u r t h e r m o r e ,

w e a l s o d e s c r i b e a n e x e c u t i o n m o n i t o r i n g t o o l f o r o b s e r v i n g

t h e i n t e r n a l s t a t e o f t h e r o b o t w h i l e o u t d o o r e x p e r i m e n t s .



1 I n t r o d u c t i o n

O u r r e s e a r c h i n t e r e s t i s t o r e a l i z e a l o n g d i s t a n c e o u t d o o r n a v i g a -

t i o n o f a m o b i l e r o b o t .

T h e t a r g e t e n v i r o n m e n t i s t h e p a v e d o r t i l e d p e d e s t r i a n w a l k -

w a y i n o u r u n i v e r s i t y c a m p u s . T h e p e d e s t r i a n w a l k w a y c a n b e

a s s u m e d t o b e a t w o d i m e n s i o n a l p l a n e . I t i s a l o n g w i t h w a l l s ,

h e d g e s o r t r e e s , w h i c h c a n b e u t i l i z e d a s l a n d m a r k s f o r e s t i m a t i n g

t h e r o b o t p o s i t i o n .

T h e r o b o t s h o u l d b e a s e l f - c o n t a i n e d a u t o n o m o u s m o b i l e r o b o t .

T h e s i z e i s b e t t e r t o b e s m a l l e r t h a n c h i l d f o r t h e s a f e t y i n e x p e r i -

m e n t s . T h e s p e e d s h o u l d b e n o t t o o s l o w t h a n h u m a n w a l k i n g a n d

t h e s p e e d o f 3 0 [ c m / s ] i s r e q u i r e d . T h e r o b o t h a s t o h a v e s e n s o r s t o

d e t e c t l a n d m a r k s a n d o b s t a c l e s .

T h e t a r g e t t a s k i s 1 . 5 [ k m ] n a v i g a t i o n f r o m t h e f r o n t o f t h e b u i l d -

i n g o f o u r l a b o r a t o r y t o t h e d o r m i t o r y c e n t e r w h i c h i s l o c a t e d a t

t h e e n d o f o u r c a m p u s , s h o w n i n F i g u r e 1 . T h e p h o t o g r a p h s o f t h e

t a r g e t e n v i r o n m e n t a r e s h o w n i n F i g u r e 2 .

O u r a p p r o a c h t o r e a l i z e t h i s t a s k i s t h e p o s i t i o n b a s e d n a v i g a -

t i o n u s i n g P e r c e i v e d R o u t e M a p ( P R M ) . I n t h i s a p p r o a c h , a h u -

m a n o p e r a t o r c o n t r o l s t h e r o b o t t o t h e g o a l a t r s t ( R o u t e t e a c h i n g

s t a g e ) . T h e r o b o t r e m e m b e r s i t s o w n t r a j e c t o r y a s a p a t h a n d t h e

l o c a t i o n o f l a n d m a r k s t o c o r r e c t i t s p o s i t i o n o n t h e w a y t o t h e g o a l .

T h e a u t o n o m o u s n a v i g a t i o n i s p e r f o r m e d b y p l a y b a c k o f t h e g e n e r -

a t e d P R M ( P l a y b a c k n a v i g a t i o n s t a g e ) . T h e i d e a o f t h i s m e t h o d i s

i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 3 . I n t h i s m e t h o d , T h e o p e r a t o r t e a c h e s o n l y



t h e c o u r s e f r o m t h e s t a r t t o t h e g o a l w i t h m a n u a l c o n t r o l l e r . T h e

r o b o t g e n e r a t e s t h e r o u t e m a p w h i c h i s p e r c e i v e d b y o w n s e n s o r s .

T h e r o b o t c o n t i n u o u s l y n a v i g a t e s i t s e l f t o t h e g o a l b y f e e d b a c k c o n -

t r o l o f t h e e s t i m a t e d p o s i t i o n b y d e a d r e c k o n i n g , t o f o l l o w t h e p a t h

i n t h e P R M a n d o c c a s i o n a l l y c o r r e c t i n g i t s p o s i t i o n b y f u s i o n o f

t h e p o s i t i o n a l i n f o r m a t i o n o b t a i n e d f r o m l a n d m a r k r e c o g n i t i o n .

I n t h i s p a p e r , w e r e p o r t h o w t o d e v e l o p t h e r o b o t f o r r e a l i z i n g a

s u c h g i v e n t a s k . W e a l s o d e s c r i b e t h e e x e c u t i o n m o n i t o r i n g t o o l f o r

o b s e r v i n g t h e i n t e r n a l s t a t e o f t h e r o b o t f o r s o f t w a r e d e v e l o p m e n t .

2 I m p o r t a n t i s s u e s o n r e a l i z i n g a r o -

b u s t m o b i l e r o b o t

T h e i m p o r t a n t i s s u e s t o d e v e l o p t h e r o b u s t m o b i l e r o b o t w h i c h p e r -

f o r m s t h e t a s k g i v e n a b o v e a r e d i s c u s s e d i n t h i s s e c t i o n . T o r e a l i z e

a s u c h n a v i g a t i o n t a s k , t h e v a r i o u s f u n c t i o n s m u s t b e d e v e l o p e d ,

i m p r o v e d a n d i n t e g r a t e d o n t h e r o b o t . T h e o u t d o o r e n v i r o n m e n t

a l o n g t h e l o n g d i s t a n c e p a t h i n c l u d e s a v a r i o u s c o n d i t i o n s . A t t h e

b e g i n n i n g o f t h e d e v e l o p m e n t , e s s e n t i a l i s s u e s f o r a c h i e v i n g t h i s

t a s k w a s a m b i g u o u s . F o r i n s t a n c e , w e d i d n o t k n o w h o w m u c h

l a n d m a r k s a r e n e c e s s a r y a n d w h a t k i n d o f l a n d m a r k i s u s e f u l i n

t h e t a r g e t e n v i r o n m e n t . T h e s e e l e m e n t s h a s g r a d u a l l y b e e n o b -

v i o u s w i t h t h e p r o g r e s s o f t h e r e s e a r c h . S o , t h e r o b o t m u s t b e

d e v e l o p e d a n d i m p r o v e d i n c r e m e n t a l l y .

M a n y f u n c t i o n s s u c h a s a l o c o m o t i o n c o n t r o l o r s e n s o r s m u s t

b e d e v e l o p e d . E a c h f u n c t i o n m i g h t b e d e v e l o p e d b y d i e r e n t r e -



s e a r c h e r w h o i s a s p e c i a l i s t o n e a c h e l d . E a c h f u n c t i o n m o d u l e

s h o u l d b e u s e d a s b l a c k b o x . B u t , t h e a l g o r i t h m w o r k i n g i n e a c h

m o d u l e m u s t b e t r a n s p a r e n t . M o d u l a r i t y a n d t r a n s p a r e n c y a r e k e y

i s s u e t o d e v e l o p a c o m p l e x s y s t e m b y i n t e g r a t i n g m a n y f u n c t i o n s

d e v e l o p e d t h r o u g h t h e d i s t r i b u t e d r e s e a r c h . E a c h f u n c t i o n w o u l d

b e i m p r o v e d g r a d u a l l y a n d i n d e p e n d e n t l y . S o , m o s t i m p o r t a n t

s u b j e c t i n r e a l i z i n g t h e n a v i g a t i o n s y s t e m i s i n t e g r a t i o n o f e a c h

f u n c t i o n . O n t h e o t h e r w o r d , i t i s e x a c t l y t h e r e s e a r c h o f n a v i g a -

t i o n t o i n t e g r a t e t h e m o b i l e r o b o t . H o w t o i n t e g r a t e a n d h o w t o

m a i n t a i n e a c h f u n c t i o n a r e t h e d o m i n a n t s u b j e c t s i n t h e r e s e a r c h

o f n a v i g a t i o n s y s t e m .

N o t o n l y t h e r o b o t i t s e l f b u t a l s o t h e d e v e l o p i n g e n v i r o n m e n t

i s i m p o r t a n t i s s u e i n t h e r e s e a r c h . B y o n l y w a t c h i n g t h e o u t - l o o k

o f t h e b e h a v i o r o f t h e r o b o t , i t i s s o m e t i m e s d i c u l t t o n d t h e

r e a s o n o f t h e u n e x p e c t e d m o t i o n . T h e i n t e r n a l s t a t e o f t h e r o b o t

s u c h a s t h e o w o f t h e p r o g r a m ( w h a t t h e r o b o t w a n t s t o d o ) o r t h e

e s t i m a t e d p o s i t i o n ( w h e r e t h e r o b o t e s t i m a t e s o w n l o c a t i o n ) m u s t

b e o b s e r v e d b y h u m a n w i t h t h e e x e c u t i o n m o n i t o r i n g t o o l . H o w -

e v e r , t h e s e l f - c o n t a i n e d a n d a u t o n o m o u s m o b i l e r o b o t d o e s n o t h a v e

e n o u g h p o w e r a n d s p a c e f o r t h e d i s p l a y . R e m o t e b r a i n a p p r o a c h

i s p r o p o s e d t o o v e r c o m e s u c h a p r o b l e m [ 1 ] . B u t , i t i s n o t a v a i l -

a b l e f o r t h e l o n g d i s t a n c e n a v i g a t i o n i n r e a l e n v i r o n m e n t b e c a u s e

t h e r o b o t b o d y h a s t o b e n e a r e n o u g h t o t h e h o s t t o c o m m u n i c a t e

e a c h o t h e r i n t h e r e m o t e b r a i n a p p r o a c h . F o r t h e n a v i g a t i o n t a s k ,

a l l c o m p u t a t i o n a l p o w e r s h o u l d b e s e l f - c o n t a i n e d t o m o v e i n l a r g e



a r e a . A n d , t h e p r o g r a m i n g a n d d e b u g g i n g e n v i r o n m e n t s h o u l d b e

s e p a r a t e d f r o m r o b o t f o r t h e l i m i t e d p o w e r a n d w e i g h t c o n d i t i o n s .

T h e m i n i m u m s e t o f t h e m o n i t o r t o o b s e r v e t h e i n t e r n a l s t a t e o f

t h e r o b o t s h o u l d b e c a r r i e d b y t h e h u m a n o p e r a t o r .

C o n s e q u e n t l y , i m p o r t a n t i s s u e s o n r e a l i z i n g t h e r o b u s t m o b i l e

r o b o t i s t h e d i s t r i b u t e d d e v e l o p i n g a n d i n c r e m e n t a l i n t e g r a t i o n .

T h e e x e c u t i o n m o n i t o r i n g t o o l f o r d e b u g g i n g i s a l s o v e r y i m p o r t a n t .

I n n e x t s e c t i o n , w e i n t r o d u c e o u r m o b i l e r o b o t , w h i c h i s d e v e l o p e d

b y t h i s a p p r o a c h .

3 D e v e l o p m e n t o f t h e m o b i l e r o b o t Y A M -

A B I C O N A V I

3 . 1 T h e Y A M A B I C O N A V I r o b o t

W e h a v e m o r e t h e n 2 0 m o b i l e r o b o t p l a t f o r m s f o r t h e e x p e r i m e n t a l

r e s e a r c h o f t h e a u t o n o m o u s r o b o t s . F a m i l y n a m e o f t h e s e r o b o t s i s

Y A M A B I C O . T h e Y A M A B I C O N A V I s h o w n i n F i g u r e 4 i s o n e f o r

o u t d o o r e x p e r i m e n t s , w h i c h h a s t h e w h e e l s w i t h l a r g e r r a d i u s a n d

w i d t h t h a n o u r s t a n d a r d Y A M A B I C O f o r i n d o o r a p p l i c a t i o n s . T h i s

r o b o t h a s t w o w h e e l s d r i v e n b y t w o D C m o t o r s w i t h e n c o d e r s . I t

c o n t a i n s a v a l v e r e g u l a t e d l e a d a c i d b a t t e r y ( 1 2 V 7 A h ) o n t h e b o d y .

B e s i d e t h e f o u r w i d e r a n g e s o n a r , w e i m p l e m e n t e d t h e a n o t h e r

s o n a r p r o d u c e d b y P o l a r o i d c o r p o r a t i o n a n d s m a l l s i z e T V c a m e r a ,

b o t h o n t h e t u r n t a b l e c o n t r o l l e d b y s t e p p i n g m o t o r . T h e r e i s a

c o n t r o l l e r w i t h s i x C P U m o d u l e s c o n n e c t e d w i t h t h e Y - B U S I I

w h i c h i s t h e l o w p o w e r s y s t e m d e s i g n e d b y o u r r e s e a r c h p r o j e c t .



3 . 2 T h e a r c h i t e c t u r e o f c o n t r o l l e r f o r t h e Y A M -

A B I C O r o b o t

T h e c o n t r o l l e r f o r t h e Y A M A B I C O r o b o t h a s t h e c e n t r a l d e c i s i o n

m a k i n g a n d f u n c t i o n a l l y d i s t r i b u t e d a r c h i t e c t u r e [ 2 ] . T h e s t r u c t u r e

o f Y A M A B I C O N A V I i s i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 5 . T o t a l c o o r d i n a t e d

c o n t r o l i s c a r r i e d o u t o n t h e c e n t e r m o d u l e c a l l e d M A S T E R . T h e

M A S T E R a n d t h e o t h e r f u n c t i o n m o d u l e s a r e c o n n e c t e d a s s t a r

v i a D P M : D u a l P o r t e d M e m o r y . T h e M A S T E R c o n t r o l s t h e r o b o t

t o t a l b e h a v i o r b y g i v i n g t h e c o m m a n d s a n d g e t t i n g t h e i n f o r m a t i o n

f r o m f u n c t i o n m o d u l e s . E a c h f u n c t i o n m o d u l e s d o e s i t s b e s t t o

r e a l i z e t h e r e q u e s t f r o m t h e M A S T E R b y c o m m a n d s a n d p o s t t h e

c u r r e n t s t a t e o n t h e s t a t e i n f o r m a t i o n m o n i t o r i n g p a n e l w h i c h i s

a l l o c a t e d o n t h e D P M . T h e M A S T E R a l w a y s w a t c h e s t h e s t a t e

o f e a c h m o d u l e a n d d e c i d e s t h e n e x t r o b o t m o t i o n t o i s s u e t h e

c o m m a n d s .

3 . 3 D i s t r i b u t e d F u n c t i o n m o d u l e s

E a c h f u n c t i o n m o d u l e i s i n d e p e n d e n t l y d e v e l o p e d . W h e n t h e r e -

n e d f u n c t i o n m o d u l e i s r e a l i z e d , i t i s i n t e g r a t e d t o t h e r o b o t . S o ,

t h e c u r r e n t r o b o t i s t h e s e t o f t h e m o s t r e n e d m o d u l e s i n t h e s t a t e

o f t h e a r t . W e e x p l a i n e d t h e f u n c t i o n m o d u l e s i n t e g r a t e d o n t h e

Y A M A B I C O N A V I . T h e y a r e L o c o m o t i o n c o n t r o l l e r [ 3 ] , P o s i t i o n

e s t i m a t o r [ 4 ] [ 5 ] , L a n d m a r k d e t e c t i o n s e n s o r s [ 6 ] , O b s t a c l e d e t e c t i o n

s e n s o r [ 7 ] a n d V o i c e s y n t h e s i z e r [ 8 ] .



3 . 3 . 1 L o c o m o t i o n c o n t r o l l e r : S P U R

T h e t r a j e c t o r y i s c o n t r o l l e d t o f o l l o w t h e s p e c i e d s t r a i g h t l i n e

b y f e e d b a c k o f t h e e s t i m a t e d p o s i t i o n o n t h e c o n s i d e r a t i o n o f t h e

d y n a m i c s o f t h e r o b o t . T h e s t o p p o s i t i o n i s a l s o c o n t r o l l e d .

3 . 3 . 2 P o s i t i o n e s t i m a t o r : P O E M I I I

T h e p o s i t i o n a n d i t s u n c e r t a i n t y a r e a l w a y s e s t i m a t e d i n t h i s m o d -

u l e b a s e d o n E K F : E x t e n d e d K a l m a n F i l t e r i n g . T h e p o s i t i o n a l

u n c e r t a i n t y i s a l w a y s c a l c u l a t e d b y d e a d r e c k o n i n g . A n d , w h e n t h e

c o m m a n d i s g i v e n b a s e d o n t h e e x t e r n a l s e n s o r a n d m a p i n f o r m a -

t i o n , P O E M I I I f u s e s t h e s e d a t a b y M L E : M a x i m u m L i k e l i h o o d

E s t i m a t i o n t o c o r r e c t t h e c u m u l a t i v e e r r o r o f d e a d r e c k o n i n g b y

f u s i o n o f d e a d r e c k o n i n g a n d l a n d m a r k r e c o g n i t i o n .

3 . 3 . 3 L a n d m a r k d e t e c t i o n s e n s o r s : S O N I C a n d I S E Y E

S O N I C i s t h e p r o c e s s o r t o c a l c u l a t e t h e d i s t a n c e o b t a i n e d f r o m

s o n a r . I S E Y E i s t h e i m a g e p r o c e s s o r t o c a p t u r e t h e i m a g e w i t h

t w o f r a m e m e m o r y a r e a . F o r o u t d o o r n a v i g a t i o n , t h e a g e n t t o n d

t r e e s i s i m p l e m e n t e d . I t c a l c u l a t e s t h e d i r e c t i o n t o t h e t r e e f r o m

t h e c a p t u r e d i m a g e b a s e d o n t h e d i s t a n c e a n d t h e t r e e m o d e l .

3 . 3 . 4 O b s t a c l e d e t e c t i o n s e n s o r : S O N I C

T h e m e a s u r e m e n t b y t h e f r o n t s i d e s o n a r i s u s e d f o r o b s t a c l e d e -

t e c t i o n . O b s t a c l e s s u c h a s a h u m a n i s d e t e c t e d u p t o 1 5 0 [ c m ] b y

t h i s s e n s o r .



3 . 3 . 5 V o i c e s y n t h e s i z e r : V O I C E

T h e m e s s a g e r e q u e s t e d f r o m t h e M A S T E R i s s p o k e n . D e c i m a l a n d

h e x n u m b e r i s s y n t h e s i z e d [ 9 ] . T h e s e n t e n c e r e p r e s e n t e d b y R O -

M A N l e t t e r s i s a l s o s y n t h e s i z e d . T h e r e c o d e d v o i c e b y A D P C M [ 1 0 ]

i s p l a y e d b a c k . T h i s m o d u l e i s u s e d f o r t e l l i n g o w n i n t e r n a l s t a t e

b y r o b o t i t s e l f . I t i s s p o k e n w h a t t h e r o b o t w a n t s t o d o n o w , w h y

t h e r o b o t i s n o w s t o p p i n g a n d s o o n .

3 . 4 C o o r d i n a t i o n c o n t r o l b y M A S T E R

V a r i o u s p r o g r a m i s w r i t t e n o n t h e M A S T E R w h i c h u s e s t h e c o m -

m a n d o f f u n c t i o n m o d u l e s . T h e r o l e o f t h e p r o g r a m o n t h e M A S -

T E R m o d u l e i s t o m a k e d e c i s i o n o f t h e r o b o t m o t i o n b a s e d o n t h e

c o o r d i n a t i o n o f a l l f u n c t i o n s o f t h e r o b o t s . T h e d i s t r i b u t e d a n d

i n c r e m e n t a l d e v e l o p m e n t i s a l s o e x p e c t e d . S o , w e d e v e l o p e d a n d

i m p l e m e n t e d t h e a g e n t t o d e c i d e n e x t p a t h a n d t h e a g e n t s t o d e -

t e c t l a n d m a r k s . T h e s e a g e n t s a r e i n t e g r a t e d o n t h e M A S T E R . T h e

p a t h i s d e t e r m i n e d b y o n l y o n e a g e n t b e c a u s e t h e b e h a v i o r o f t h e

r o b o t m u s t b e c o n s i s t e n t l y m a n a g e d a n d c o n t r o l l e d s e r i a l l y a t t i m e

a x i s . O n t h e o t h e r h a n d , t h e l a n d m a r k r e c o g n i t i o n p r o c e s s e s a r e

w o r k i n g i n p a r a l l e l . T o g e t a g o o d s o l u t i o n , m a n y c a n d i d a t e m u s t

b e c o n s i d e r e d s i m u l t a n e o u s l y .

T o r e a l i z e a r o b u s t n a v i g a t i o n , i t i s i m p o r t a n t t h a t t h e r o b o t

c a n a c q u i r e t h e r e d u n d a n t l a n d m a r k i n f o r m a t i o n . S o , w e s h o w b e -

l o w , h o w t o d e v e l o p a r o b u s t l a n d m a r k r e c o g n i t i o n s y s t e m b y d i s -

t r i b u t e d d e v e l o p i n g a n d i n c r e m e n t a l i n t e g r a t i o n o f m u l t i p l e l a n d -



m a r k a g e n t s .

3 . 4 . 1 P a t h A g e n t

I n t h e r o u t e t e a c h i n g s t a g e , t h i s a g e n t o b s e r v e s t h e r o u t e t a u g h t

b y h u m a n a n d r e c o r d s i t t o P a t h M a p .

I n t h e p l a y b a c k n a v i g a t i o n s t a g e , i t g e t s t h e p a t h f r o m P a t h

M a p a n d s e n d t h e l o c o m o t i o n c o n t r o l c o m m a n d t o S P U R . I t a l s o

o b s e r v e s t h e o b s t a c l e t o t h e h e a d i n g d i r e c t i o n . W h e n a n o b s t a c l e

i s d e t e c t e d , i t s e n d t h e S t o p c o m m a n d t o S P U R . O n l y t h i s a g e n t

s e n d t h e c o m m a n d t o S P U R .

3 . 4 . 2 L m A : L a n d m a r k A g e n t

I n t h e r o u t e t e a c h i n g s t a g e , e a c h L m A s e a r c h e s e a c h s p e c i e d l a n d -

m a r k i n p a r a l l e l . W h e n i t n d s t h e l a n d m a r k c a n d i d a t e , i t t r a c k s

t h e c a n d i d a t e . I f i t c a n t r a c k t h e c a n d i d a t e f o r a c e r t a i n d i s t a n c e .

i t r e c o r d s t h e l o c a t i o n a n d s e n s i n g p o i n t o f t h e c a n d i d a t e t o e a c h

L m A M a p . F o r e x a m p l e , H e d g e - L m A i s o n e t o d e t e c t h e d g e s a s

l a n d m a r k s w h e n t h e d i s t a n c e m e a s u r e d b y s o n a r i s a l m o s t s a m e

d i s t a n c e w h i l e t r a v e l i n g o v e r 9 0 [ c m ] . T r e e - L m A i s o n e t o d e t e c t

t r e e s a s l a n d m a r k s w h e n t h e t r e e i s d e t e c t e d a t t h e a l m o s t s a m e

l o c a t i o n b y P o l a r o i d s o n a r a n d s m a l l T V c a m e r a ( S O N A V I S [ 6 ] )

w h i l e t r a v e l i n g o v e r 6 0 [ c m ] . H e r e , S o n a v i s A g e n t i s o n e t o a r b i -

t r a t e H e d g e L m A a n d T r e e L m A , s i n c e t h e s e t w o L a n d m a r k A g e n t

u s e t h e s a m e s e n s o r p r o p e r t y S O N A V I S . S i n c e t h e s e m o r e t h a n t w o

L m A u s e t h e s a m e a c t u a t o r , t h e a r b i t r a t i o n a g e n t i s n e c e s s a r y .



I n t h e p l a y b a c k n a v i g a t i o n s t a g e , e a c h L m A l o o k s f o r t h e l a n d -

m a r k i n L m A M a p w h e n t h e r o b o t a r r i v e s a t t h e s e n s i n g p o i n t .

I f t h e l a n d m a r k l o c a t i o n m e a s u r e d b y s e n s o r i s i n s i d e o f 1 e r r o r

e l l i p s o i d , t h i s m e a s u r e m e n t i s s e n t t o P O E M I I I a n d t h e e s t i m a t e d

p o s i t i o n i s a u t o m a t i c a l l y c o r r e c t e d .

4 E x e c u t i o n m o n i t o r a n d m a n u a l c o n -

t r o l l e r

I t i s i m p o r t a n t a n d d i c u l t f o r a u t o n o m o u s m o b i l e r o b o t t o m o n -

i t o r t h e i n t e r n a l i n f o r m a t i o n s u c h a s t h e c u r r e n t s t a t e o f e x e c u t i o n

a n d r e c o g n i t i o n . O f c o u r s e , v o i c e m o d u l e i s u s e f u l l y u s e d f o r m o n -

i t o r i n g s u c h d a t a . I t i s v e r y u s e f u l t o c h e c k t h e p r o g r a m o w .

H o w e v e r , i t h a s n o t e n o u g h b a n d w i d t h a n d i s d i c u l t t o u n d e r -

s t a n d t h e g e o m e t r i c a l l o c a t i o n b e t w e e n p a t h a n d l a n d m a r k e s t i -

m a t e d i n t h e r o b o t f r o m o p e r a t o r . S o , w e d e v e l o p e d t h e g r a p h i c a l

e x e c u t i o n m o n i t o r a s m o n i t o r i n g a n d d e b u g g i n g t o o l . W e s h o w

o u r e x e c u t i o n m o n i t o r i n o u t d o o r e x p e r i m e n t a l e n v i r o n m e n t a n d

m a n u a l c o n t r o l l e r f o r r o u t e t e a c h i n g i n t h i s s e c t i o n .

4 . 1 T h e c a r t f o r o u t d o o r e x p e r i m e n t s

F i g u r e 6 s h o w s t h e c a r t t o c a r r y t h e r o b o t a n d n e c e s s a r y e q u i p -

m e n t s f o r o u t d o o r e x p e r i m e n t s .

T h e d o w n s t a g e i s a p l a c e f o r t h e r o b o t . T h e s e c o n d s t a g e h a s

t h e e x e c u t i o n m o n i t o r , r a d i o c o n t r o l l e r w h i c h c a n m a n u a l l y c o n t r o l

t h e v e l o c i t y a n d h e a d i n g d i r e c t i o n o f t h e r o b o t a n d T V m o n i t o r t o

w a t c h t h e r e s u l t o f i m a g e p r o c e s s i n g s e n t f r o m t h e r o b o t b y U H F .



4 . 2 T h e e x e c u t i o n m o n i t o r

F o r o u r r e s e a r c h , w e d e v e l o p e d t h e e x e c u t i o n m o n i t o r i n g s y s t e m i n

t h e r o u t e t e a c h i n g s t a g e a n d t h e p l a y b a c k n a v i g a t i o n s t a g e . S p a r c

B o o k n o t e c o m p u t e r i s u s e d a s t h e h a r d w a r e . T h e m o n i t o r i n g i n f o r -

m a t i o n i n t w o c a s e s o f r o u t e t e a c h i n g s t a g e a n d p l a y b a c k n a v i g a t i o n

s t a g e a r e s h o w n h e r e .

4 . 2 . 1 R o u t e t e a c h i n g s t a g e

D u r i n g t h e r o u t e t e a c h i n g s t a g e , r a w d a t a o f l a n d m a r k m e a s u r e -

m e n t s a n d c u r r e n t r o b o t p o s i t i o n a r e i n d i c a t e d o n t h e g r a p h i c a l

d i s p l a y o f t h e e x e c u t i o n m o n i t o r . A f t e r t h e r o u t e t e a c h i n g , a l l i n -

f o r m a t i o n o f t h e P R M ( P a t h a n d L a n d m a r k s ) c a n b e c h e c k e d . T h e

g r a p h i c a l d r a w i n g o f t h e P R M i s s h o w n i n F i g u r e 7 . T h e u p p e r

r i g h t w i n d o w o f t h i s g u r e s h o w s t h e p a t h f r o m A t o G i n F i g u r e

1 . T h e n , t h e r e c t a n g l e a r e a o f t h e u p p e r r i g h t w i n d o w i s z o o m u p

t o t h e m a i n w i n d o w . I n t h e m a i n w i n d o w , t h e o p e r a t o r c a n w a t c h

t h e p a t h , s e n s i n g p o i n t s a n d t h e a c q u i r e d l a n d m a r k s s u c h a s t r e e s

a n d h e d g e s .

4 . 2 . 2 P l a y b a c k n a v i g a t i o n s t a g e

D u r i n g t h e p l a y b a c k n a v i g a t i o n s t a g e , r o b o t p o s i t i o n a n d e r r o r e l -

l i p s e a n d r a w d a t a o f l a n d m a r k m e a s u r e m e n t s a r e o b s e r v e d o n t h e

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

t h e t r a j e c t o r y i n t h i s s t a g e a n d t h e p a t h i n P R M c a n b e c o m p a r e d

i n t h e d i s p l a y a s s h o w n i n F i g u r e 8 . T h i s g u r e s h o w s t h e e x a m p l e



o f t h e p o s i t i o n c o r r e c t i o n b y h e d g e . F r o m t h i s g u r e , w e c a n o b -

s e r v e t h a t t h e r o b o t r e t u r n s t o t h e e x p e c t e d p a t h b y f o l l o w i n g t h e

c o r r e c t e d p a t h a f t e r c o r r e c t i n g t h e p o s i t i o n .

5 C o n c l u s i o n s

W e a r e n o w d e v e l o p i n g a s e l f - c o n t a i n e d a n d a u t o n o m o u s m o b i l e

r o b o t f o r l o n g d i s t a n c e o u t d o o r n a v i g a t i o n . T h e r o b o t f o r r e a l i z i n g

a l o n g d i s t a n c e n a v i g a t i o n m u s t b e i n t e g r a t e d m a n y f u n c t i o n s s u c h

a s l o c o m o t i o n c o n t r o l , p o s i t i o n e s t i m a t i o n , l a n d m a r k r e c o g n i t i o n

a n d o b s t a c l e d e t e c t i o n . I n t h i s p a p e r , w e p o i n t e d t h e n e c e s s i t y

o f d i s t r i b u t e d d e v e l o p i n g a n d i n c r e m e n t a l i n t e g r a t i o n f o r r e a l i z i n g

a m o b i l e r o b o t . W e d e s c r i b e o u r r o b o t d e v e l o p i n g b a s e d o n o u r

p r o p o s e d a p p r o a c h . F u n c t i o n a l ( l o w e r ) l e v e l o f t h i s r o b o t a r e m o d -

u l a r i z e d a t t h e u n i t o f h a r d w a r e m o d u l e ( c o n t r o l l e r b o a r d ) . T o t a l

c o o r d i n a t i o n ( h i g h e r ) l e v e l a r e m o d u l a r i z e d a t t h e u n i t o f s o f t w a r e

m o d u l e ( a g e n t p r o c e s s ) . W e b e l i e v e t h i s a p p r o a c h m a k e s i t p o s s i b l e

t o d e v e l o p a m o b i l e r o b o t w i t h h i g h l y n a v i g a t i o n a b i l i t y .

W e w i l l c o n t i n u e t h e d e v e l o p m e n t o f t h e r o b o t t o r e a l i z e a r o -

b u s t l o n g d i s t a n c e o u t d o o r n a v i g a t i o n . T h r o u g h i m p r o v i n g o u r

r o b o t b a s e d o n m a n y e x p e r i m e n t a l r e s u l t s , w e w i l l i n v e n t m o r e

r e n e d i n t e g r a t i o n t e c h n i q u e o f m a n y f u n c t i o n s .



R e f e r e n c e s

[ 1 ] M . I n a b a , S . K a g a m i n a n d H . I n o u e , \ R e a l - t i m e V i s i o n p l u s

R e m o t e - B r a i n e d D e s i g n o p e n N e w W o r l d f o r E x p e r i m e n t a l

R o b o t i c s " , E x p e r i m e n t a l R o b o t i c s I V , S p r i n g e r , 1 0 5 - 1 1 3 , 1 9 9 7 .

[ 2 ] S . Y u t a a n d J . I i j i m a , \ T h e a r c h i t e c t u r e f o r a n a u t o n o m o u s m o -

b i l e r o b o t c o n t r o l l e r " , P r o c e e d i n g s o f t h e 8 t h a c a d e m i c c o n f e r -

e n c e o f R o b o t i c s S o c i e t y o f J a p a n , 9 6 7 - 9 7 0 , 1 9 9 0 ( i n J a p a n e s e ) .

[ 3 ] S . I i d a a n d S . Y u t a , \ V e h i c l e c o m m a n d s y s t e m a n d t r a j e c -

t o r y c o n t r o l f o r a u t o n o m o u s m o b i l e r o b o t s " , P r o c e e d i n g s o f

I E E E / R S J I n t e r n a t i o n a l W o r k s h o p o f I n t e l l i g e n t R o b o t s a n d

S y s t e m s , 2 1 2 - 2 1 7 , 1 9 9 1 .

[ 4 ] S . M a e y a m a , A . O h y a a n d S . Y u t a , \ N o n - s t o p o u t d o o r n a v -

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

s i o n w i t h a t i m e c o n s u m i n g s e n s o r s y s t e m - " , P r o c e e d i n g s o f

I E E E / R S J 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 I n t e l l i g e n t R o b o t s a n d

S y s t e m s , v o l . 1 , 1 3 0 - 1 3 5 , 1 9 9 5 .

[ 5 ] S h o i c h i M a e y a m a , N o b u y u k i I s h i k a w a a n d S h i n ' i c h i Y u t a ,

\ R u l e b a s e d l t e r i n g a n d f u s i o n o f o d o m e t r y a n d g y r o s c o p e

f o r a f a i l s a f e d e a d r e c k o n i n g s y s t e m o f a m o b i l e r o b o t " , 1 9 9 6

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 M u l t i s e n s o r F u s i o n a n d I n -

t e g r a t i o n f o r I n t e l l i g e n c e S y s t e m s , 5 4 1 - 5 4 8 , 1 9 9 6 .

[ 6 ] S . M a e y a m a , A . O h y a a n d S . Y u t a , \ P o s i t i o n i n g b y t r e e d e -

t e c t i o n s e n s o r a n d d e a d r e c k o n i n g f o r o u t d o o r n a v i g a t i o n o f a

m o b i l e r o b o t " , P r o c e e d i n g s o f 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 M u l t i s e n s o r F u s i o n a n d I n t e g r a t i o n f o r I n t e l l i g e n t s y s t e m s ,

6 5 3 - 6 6 0 , 1 9 9 4 .

[ 7 ] T . O h n o , A . O h y a a n d S . Y u t a , \ A n e w u l t r a s o n i c t r a n s m i t a n d

r e c e i v e c i r c u i t f o r i m p r o v e m e n t o f r a n g e n d i n g p e r f o r m a n c e " ,

P r o c e e d i n g s o f t h e 1 2 t h a c a d e m i c c o n f e r e n c e o f R o b o t i c s S o c i -

e t y o f J a p a n , 1 0 9 3 - 1 0 9 4 , 1 9 9 4 ( i n J a p a n e s e ) .

[ 8 ] S . M a e y a m a , A . O h y a a n d S . Y u t a , \ V o i c e s y s t e m f o r d e b u g g i n g

t h e b e h a v i o r p r o g r a m o f a u t o n o m o u s m o b i l e r o b o t s " , P r o c e e d -

i n g s o f I n t e l l i g e n t M o b i l e R o b o t S y m p o s i u m ' 9 4 , 1 5 4 - 1 5 5 , 1 9 9 4

( i n J a p a n e s e ) .

[ 9 ] \ V O T R A X S C - 0 2 P h o n e m e S p e e c h S y n t h e s i z e r " , V O T R A X ,

I N C .

[ 1 0 ] \ O K I ' 9 2 O K I S e m i c o n d u c t o r I C c i r c u i t s | V o i c e L S I " , O K I

E L E C T R O N I C D E V I C E S ( i n J a p a n e s e ) .



C a p t i o n l i s t

F i g u r e 1 : S c h e m a t i c m a p o f t a r g e t e n v i r o n m e n t

( A , B ,

…, G , I a r e p a s s i n g p o i n t s . )

F i g u r e 2 : P h o t o g r a p h s o f t h e t a r g e t e n v i r o n m e n t

F i g u r e 3 : P e r c e i v e d R o u t e M a p ( P R M ) g e n e r -

a t i o n b y n a t u r a l l a n d m a r k s a c q u i s i t i o n t h r o u g h

h u m a n r o u t e t e a c h i n g a n d a u t o n o m o u s n a v i g a t i o n

u s i n g t h e g e n e r a t e d P R M

F i g u r e 4 : P h o t o g r a p h o f t h e Y A M A B I C O N A V I

r o b o t ( T h e d i m e n s i o n ( W x H x D ) i s a b o u t 4 5 0

x 6 0 0 x 5 0 0 [ m m ] . T h e w e i g h t i s a b o u t 1 2 [ k g ] .

T h e w h e e l d i a m e t e r i s a b o u t 1 5 0 [ m m ] . T h e t r e a d

i s a b o u t 4 0 0 [ m m ] . )

F i g u r e 5 : S y s t e m c o n g u r a t i o n o f t h e Y A M -

A B I C O N A V I r o b o t b y m u l t i p l e a g e n t s

F i g u r e 6 : T h e c a r t a s a d e v e l o p i n g a n d d e b u g g i n g

e n v i r o n m e n t f o r o u t d o o r e x p e r i m e n t s ( T h e r e i s a

p l a c e o f t h e r o b o t o n t h e r s t o o r . T h e r e i s

a g r a p h i c a l e x e c u t i o n m o n i t o r , T V m o n i t o r a n d

m a n u a l c o n t r o l l e r o n t h e s e c o n d o o r . )

F i g u r e 7 : T h e a c q u i r e d p a t h a n d l a n d m a r k s a f -

t e r r o u t e t e a c h i n g s t a g e i n g r a p h i c a l d i s p l a y o f

e x e c u t i o n m o n i t o r

F i g u r e 8 : T h e d a t a a f t e r t h e p l a y b a c k n a v i g a t i o n

s t a g e c o m p a r e d w i t h t h e d a t a i n P R M



Goal

P

TennisCoat

0 50 100 m

Grand

T e n n i s

C o a t

Start

AB

C D

E

F

G

H

I

P

Our lab.

BuildingTarget Path

Campus of Univ. of Tsukuba

Bush

Pond

Dormitoryof

Students

DormitoryCenter

F i g u r e 1 : S c h e m a t i c m a p o f t a r g e t e n v i r o n m e n t ( A , B ,

…, G , I a r e

p a s s i n g p o i n t s . )



F i g u r e 2 : P h o t o g r a p h s o f t h e t a r g e t e n v i r o n m e n t



There was the treeon the right side

Navigation using PRM

^^ _

There is a treeon the right side

Take the robotto the goal once

Acquisition of PRM

F i g u r e 3 : P e r c e i v e d R o u t e M a p ( P R M ) g e n e r a t i o n b y n a t u r a l l a n d -

m a r k s a c q u i s i t i o n t h r o u g h h u m a n r o u t e t e a c h i n g a n d a u t o n o m o u s

n a v i g a t i o n u s i n g t h e g e n e r a t e d P R M



F i g u r e 4 : P h o t o g r a p h o f t h e Y A M A B I C O N A V I r o b o t ( T h e d i -

m e n s i o n ( W x H x D ) i s a b o u t 4 5 0 x 6 0 0 x 5 0 0 [ m m ] . T h e w e i g h t

i s a b o u t 1 2 [ k g ] . T h e w h e e l d i a m e t e r i s a b o u t 1 5 0 [ m m ] . T h e t r e a d

i s a b o u t 4 0 0 [ m m ] . )



SONIC

H i S

oni c

P ol a

R an g e

s en s or

IS EYE

F i n

d T r e

e

I m a g e

pr o

c e s s or

POEM III

P OE M

P o si t i on

e s t i m a t or

SPUR

S P

U R

L o c o

- m o t i on

c on t r ol l er

VOICE

v oi c e

V oi c e

s yn

- t h e si z er

D C m o t or

E n

c o d er

G yr o s c o p e

S on ar

S on

avi s

P a t h M

a p

P a t h

N a m e

A g en t ( P r o

c e s s )

N a m e

M a pD

a t a

C P

U m

o d ul e

Name

L mA : L

an d m ar k A

g en t

S en s or

&A

c t u a t or

Ro

S p e ak er

C a m er a

S t e p pi n

g

m o t or

Sonar

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5

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b

y

m

u

l

t

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p

l

e

a

g

e

n

t

s



F i g u r e 6 : T h e c a r t a s a d e v e l o p i n g a n d d e b u g g i n g e n v i r o n m e n t f o r

o u t d o o r e x p e r i m e n t s ( T h e r e i s a p l a c e o f t h e r o b o t o n t h e r s t o o r .

T h e r e i s a g r a p h i c a l e x e c u t i o n m o n i t o r , T V m o n i t o r a n d m a n u a l

c o n t r o l l e r o n t h e s e c o n d o o r . )



F i g u r e 7 : T h e a c q u i r e d p a t h a n d l a n d m a r k s a f t e r r o u t e t e a c h i n g

s t a g e i n g r a p h i c a l d i s p l a y o f e x e c u t i o n m o n i t o r



F i g u r e 8 : T h e d a t a a f t e r t h e p l a y b a c k n a v i g a t i o n s t a g e c o m p a r e d

w i t h t h e d a t a i n P R M

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Autonomous Mobile Robot System for Long Distance Outdoor Navigation in University Campus