Navigation for disinfection of public spaces

Abstract

This document describes a project aimed at improving current solutions for optimal path planning in disinfection scenarios. The project proposes the development of an automated germicidal irradiation system using a mobile robot for disinfection of public spaces. The dissertation focuses on the research and development of an autonomous navigation system integrated into the robot, analyzing algorithms for localization and navigation. The goal is to develop a system that can disinfect indoor spaces using the robot and an ultraviolet sensor, with objectives including studying existing navigation methods, developing a UV sensor component, and testing and validating the techniques developed. The development of a system for disinfecting public spaces based on the use of the Robot Operating System (ROS) framework is presented. To build the system, not only were ROS packages available online used, but project-specific ROS packages were also created. Highlights include the integration with the ROS of the MiR100 robot, the localization method based on scan-matching, navigation planning using the backtracking spiral algorithm (BSA) as the global planner and a PID controller as the local planner, and the representation of the ultraviolet sensor coverage area. The document also mentions the parameters and components involved in the system’s operation and the importance of comprehensive coverage for disinfection purposes. The next step was to test the developed system, the test scenario and selection criteria used to evaluate the efficiency of disinfection and tuning the system are aborded. The metrics used to evaluate the behavior of disinfection include the disinfected area, disinfection time, overlapping irradiated area, and irradiation exposure time. It is evaluated the parameters that impact the effectiveness and efficiency of a disinfection robot and presents the results of tests conducted in a simulated environment. The optimal combinations of parameters for achieving the best disinfection coverage and time are identified. The document concludes with the final choice of parameters based on the overlapping of irradiated area. In conclusion, using the MiR100 which is a compact, highly maneuverable autonomous mobile robot capable of carring payloads up to 100kg equiped with a UV Sensor, a disinfection coverage of 97.10% was achieved after 22 minutes and 19 seconds, with some areas being irradiated more than once. The mapping coverage was successful, except for areas close to the walls, which were left untreated due to limitations in the BSA algorithm’s path computation.

Este documento descreve um projeto destinado a melhorar as soluções atuais para o planeamento do percurso em cenários de desinfeção. O projeto propõe o desenvolvimento de um sistema automatizado de irradiação germicida utilizando um robô móvel para a desinfeção de espaços públicos. A dissertação centra-se na investigação e desenvolvimento de um sistema de navegação autónomo integrado no robô, analisando algoritmos de localização e navegação. Pretende-se desenvolver um sistema capaz de desinfetar espaços interiores utilizando o robô e um sensor ultravioleta, tendo como objetivos o estudo dos métodos de navegação existentes, o desenvolvimento de um método para visualizar a área irradiada pelo sensor UV, e o teste e validação das técnicas desenvolvidas. É discutido o desenvolvimento de um sistema de desinfeção de espaços públicos com base no uso da framework Robot Operating System (ROS). Para a construção do sistema, não só foram utilizados pacotes ROS disponíveis online assim como foram criados pacotes ROS específicos do projeto. Destaca-se a integração com o ROS do robo MiR100, o método de localização baseado em scan-matching, o planeamento da navegação usando como planeador global o algoritmo backtracking spiral (BSA) e como planeador local um controlador PID, e a representação da área de cobertura do Sensor ultravioleta. O documento também menciona os parâmetros e componentes envolvidos na operação do sistema e a importância da cobertura abrangente para fins de desinfeção. O passo seguinte foi testar o sistema desenvolvido, o cenário de teste e os critérios de seleção utilizados para avaliar a eficiência da desinfeção e afinar o sistema são abordados. As métricas utilizadas para avaliar o comportamento da desinfeção incluem a área desinfetada, o tempo de desinfeção, a sobreposição da área irradiada e o tempo de exposição à irradiação. São avaliados os parâmetros que influenciam a eficácia e a eficiência de um robô de desinfeção e são apresentados os resultados de testes realizados num ambiente simulado. São identificadas as combinações ideais de parâmetros para obter a melhor cobertura e tempo de desinfeção. O documento conclui com a escolha final dos parâmetros com base nas métricas acima referidas sendo a sobreposição da área irradiada a métrica mais relevante. Em conclusão, utilizando o MiR100, que é um robô móvel autónomo compacto e altamente manobrável capaz de transportar cargas até 100kg, equipado com um sensor UV, foi alcançada uma cobertura de desinfeção de 97,10% após 22 minutos e 19 segundos, com algumas áreas a serem irradiadas mais do que uma vez. A cobertura do mapeamento foi bem sucedida, exceto nas áreas próximas das paredes, que não foram tratadas devido a limitações no cálculo do percurso do algoritmo BSA.