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Probabilistic Modeling of Gas Diffusion with Partial Differential Equations for Multi-Robot Exploration and Gas Source Localization

Wiedemann, Thomas und Manss, Christoph und Shutin, Dmitriy und Lilienthal, Achim und Karolj, Valentina und Viseras Ruiz, Alberto (2017) Probabilistic Modeling of Gas Diffusion with Partial Differential Equations for Multi-Robot Exploration and Gas Source Localization. In: 2017 European Conference on Mobile Robots (ECMR 2017). ECMR 2017, 2017-09-06 - 2017-09-08, Paris, Frankreich. doi: 10.1109/ECMR.2017.8098707.

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2MB

Kurzfassung

Employing automated robots for sampling gas distributions and for localizing gas sources is beneficial since it avoids hazards for a human operator. This paper addresses the problem of exploring a gas diffusion process using a multi-agent system consisting of several mobile sensing robots. The diffusion process is modeled using a partial differential equation (PDE). It is assumed that the diffusion process is driven by only a few spatial sources at unknown locations with unknown intensity. The goal of the multi-robot exploration is thus to identify source parameters, in particular, their number, locations and magnitudes. Therefore, this paper develops a probabilistic approach towards PDE identification under sparsity constraint using factor graphs and a message passing algorithm. Moreover, the message passing schemes permits efficient distributed implementation of the algorithm. This brings significant advantages with respect to scalability, computational complexity and robustness of the proposed exploration algorithm. Based on the derived probabilistic model, an exploration strategy to guide the mobile agents in real time to more informative sampling locations is proposed. Hardware-in-the-loop experiments with real mobile robots show that the proposed exploration approach accelerates the identification of the source parameters and outperforms systematic sampling.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/113329/
Dokumentart:Konferenzbeitrag (Vortrag)
Titel:Probabilistic Modeling of Gas Diffusion with Partial Differential Equations for Multi-Robot Exploration and Gas Source Localization
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Wiedemann, ThomasThomas.Wiedemann (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Manss, Christophchistoph.manss (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Shutin, DmitriyDmitriy.Shutin (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Lilienthal, Achimorebro universityNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Karolj, Valentinavalentina.karolj (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Viseras Ruiz, AlbertoAlberto.ViserasRuiz (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:2017
Erschienen in:2017 European Conference on Mobile Robots (ECMR 2017)
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Nein
In ISI Web of Science:Nein
DOI:10.1109/ECMR.2017.8098707
Status:veröffentlicht
Stichwörter:multi-agent exploration, gas source localization, mobile robot olfaction partial differential equation, factor graph, sparse Bayesian learning, message passing
Veranstaltungstitel:ECMR 2017
Veranstaltungsort:Paris, Frankreich
Veranstaltungsart:internationale Konferenz
Veranstaltungsbeginn:6 September 2017
Veranstaltungsende:8 September 2017
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Kommunikation und Navigation
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R KN - Kommunikation und Navigation
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Projekt Navigation 4.0 (alt)
Standort: Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Institut für Kommunikation und Navigation > Nachrichtensysteme
Hinterlegt von: Wiedemann, Thomas
Hinterlegt am:28 Nov 2017 13:33
Letzte Änderung:24 Apr 2024 20:17

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