Towards stigmergic heterogenous symbiotic robot teams: enhancing RFID-based stigmergic robots for mapless environments

Abstract

The study in this thesis presents new solutions for increasing the performance of RFID-based inventory robots. The first novel solution is the design of an RFID-based inventory aerial robot for the problem of stock-counting in large warehouses with very high shelves, thus, reducing the risks of human injury that accompany performing such tasks, costs, and time of operation. This robot design uses a stigmergic-based navigation algorithm to enable full autonomy in mapless environments. The second solution presented in this thesis is the development of a simulation tool that enables the robotic community to utilize RFID sensors with robots in simulation, to reduce time and costs, especially when using operational-cost expensive aerial robots. The simulation tool is based on a simplified probabilistic model that considers statistical, geometrical, and some antenna related parameters. The proposed tool is validated using various experiments in the laboratory. These validation experiments test and validate the robustness of the simulation tool with different environment layouts, the number of RFID tags in the environment, and different robot types. The third solution presented in this thesis is a localization model that is designed for distributed heterogeneous multi-robots to extend their collaboration, for solving the problem of increasing the performance of task-oriented team robots in map-less environments, this is done by exploiting the heterogeneity feature in the team. The proposed model was tested in both laboratory environments and in simulation. The simulation experiments expose the use of this model to increase the performance of a heterogeneous team of robots performing an inventory task. Finally, this thesis presents new innovative hybrid robot structure designs, that aim to amplify the abilities and features of an individual robot. The main proposed design adapts in hardware and software, the functionality of aerial and ground robots in one system, for the purpose of exploiting the beneficial characteristics that associate both robot types, at the same time mitigating the drawbacks of operating these robots individually.

El estudio de esta tesis presenta nuevas soluciones para aumentar el rendimiento de los robots de inventario basados en RFID. La primera solución novedosa es el diseño de un robot aéreo de inventario basado en RFID para el problema del conteo de existencias en grandes almacenes con estantes muy altos, reduciendo así los riesgos de lesiones humanas que acompañan a la realización de tales tareas, costos y tiempo de operación. . Este diseño de robot utiliza un algoritmo de navegación basado en estigmergia para permitir una autonomía total en entornos sin mapas. La segunda solución presentada en esta tesis es el desarrollo de una herramienta de simulación que permite a la comunidad robótica utilizar sensores RFID con robots en simulación, para reducir tiempo y costos, especialmente cuando se usan robots aéreos costosos en costos operativos. La herramienta de simulación se basa en un modelo probabilístico simplificado que considera parámetros estadísticos, geométricos y algunos relacionados con la antena. La herramienta propuesta se valida mediante varios experimentos en el laboratorio. Estos experimentos de validación prueban y validan la solidez de la herramienta de simulación con diferentes diseños de entorno, la cantidad de etiquetas RFID en el entorno y diferentes tipos de robots. La tercera solución presentada en esta tesis es un modelo de localización que está diseñado para multi-robots heterogéneos distribuidos para ampliar su colaboración, para resolver el problema de aumentar el rendimiento de los robots de equipo orientados a tareas en entornos sin mapas, esto se hace mediante la explotación la característica de heterogeneidad en el equipo. El modelo propuesto fue probado tanto en ambientes de laboratorio como en simulación. Los experimentos de simulación exponen el uso de este modelo para aumentar el rendimiento de un equipo heterogéneo de robots que realizan una tarea de inventario. Finalmente, esta tesis presenta nuevos diseños innovadores de estructuras de robots híbridos, que tienen como objetivo ampliar las habilidades y características de un robot individual. El diseño principal propuesto adapta en hardware y software, la funcionalidad de los robots aéreos y terrestres en un solo sistema, con el propósito de explotar las características beneficiosas que asocian ambos tipos de robots, al mismo tiempo que mitiga los inconvenientes de operar estos robots individualmente.