Accurate Localization with Ultra-Wideband Ranging for Multi-Robot Systems

With the advancement of hardware and software technology, the everyday applications of automation and robotics are developing rapidly. Multi-robot systems are particularly promising because of their high efficiency and robustness. Such systems can be used to assist humans in performing dangerous or strenuous tasks, such as disaster response, subterranean exploration, etc. To deploy a multi-robot system in an environment without a global positioning system (GPS), coordinating the robots in the system is a crucial challenge. Each robot needs to have the correct tracking of its own and its teammates positions to enable the robots to cooperate. Because this research direction is relatively new, there are not many mature methods: existing approaches are mainly centralized systems that rely on GPS signals. The dependence on GPS restricts the application to the outdoors or indoor spaces with expensive infrastructure. Centralized systems also face the risk of a single point of failure, which is not acceptable for critical systems. In addition, centralized systems can be hard to scale both statically and dynamically (e.g. adding new groups of robots or merging different groups). Therefore, a distributed and scalable solution with accurate positioning and tracking in a GPS-denied environment is desired. In this work, we follow a top-down strategy to address these challenges.

Résumé

Avec l'avancement de la technologie matérielle et logicielle, l'application de l'automatisation et de la robotique se développe rapidement. Les systèmes multi-robots sont particulièrement prometteurs en raison de leur grande efficacité et robustesse. De tels systèmes peuvent être utilisés pour aider les humains à effectuer efficacement des tâches dangereuses ou pénibles, telles que l'intervention en cas de catastrophe, l'exploration souterraine, etc. Pour déployer un système multi-robot dans un environnement sans GPS, la coordination des robots dans le système est un défi crucial. Chaque robot doit avoir une estimation précise de sa propre position pour permettre aux robots du système de collaborer pour la réalisation de leur tâche. Comme cette direction de recherche est relativement nouvelle, les approches existantes ne sont pas encore abouties. Elles consistent principalement en des systèmes centralisés qui reposent sur des signaux GPS. La dépendance sur un signal GPS limite l'application aux espaces extérieurs ouverts. De plus, les systèmes centralisés sont confrontés au risque d'un point de défaillance unique, qui limite la robustesse du système. Par ailleurs, un système centralisé n'est pas toujours approprié à une taille grandissante, comme lors d'ajout de nouveaux groupes de robots ou lors de la fusion de différents groupes. Par conséquent, une solution distribuée, décentralisée, et adaptée à de larges groupes de tailles variables pouvant produire une estimation et un suivi du positionnement des robots dans un environnement sans GPS est souhaitée. Dans ce travail, nous adoptons une stratégie descendante pour relever ces défis.