Frontier-based exploration

Frontier-based exploration

Yamauchi B. A frontier-based approach for autonomous exploration[C]. IEEE International Symposium on Computational Intelligence in Robotics and Automation, 1997, pp. 146-151.

frontier_exploration source code
关于active_SLAM比较早期的文章，主要是上面这篇。配套的还有开源代码，从论文角度而言，其实还是有些许差别，传感系统就不太一样：
1、 在active-SLAM领域算是比较早的一篇论文，论文短小，实验充分，使用混合传感模型（激光，红外以及声纳）；
2、 使用栅格地图模型，在探索过程中没有涉及到信息熵的概念，当然也不会去考虑如何平衡开发“（exploitation）”~“探索（exploration）”之间的关系；
3、 文章旨在探索未知区域，对未知区域进行排序，以深度优先的方式就近探索未知区域；
4、 ROS中有相关的package，frontier_exploration，配合navigation的move_base和gmapping建图构成一整个active_slam。

正如RAS在2016年发表的一篇关于前向模拟的active_SLAM论文。

Lauri M, Ritala R. Planning for robotic exploration based on forward simulation[J]. Robotics and Autonomous Systems, 2016, 83: 15-31.

文章中有一张关于整体架构的图：

一般就active_SLAM而言，考虑更多是寻找一个合适的目标函数，执行一个决策。在本次博客中不多展开，后期会补上这方面的内容。

Motivation：希望到passive slam到active slam的转变，让移动机器人自己以最优（质量和效率）的状态进行定位和环境建图，同时这也是移动机器人迈向自动化的方向。旨在解放对移动机器人的束缚，使其自由的进行环境建图。
Process：主要分为frontier的检测—然后探索未知区域—直到环境中不再有未知的区域。其中需要SLAM的参与进行定位和建图，目前默认的建图模式采用gmapping（栅格地图），现阶段大量学者开始研究pose graph based active SLAM.

边界探测过程

上展示的主要是通过扫描-SLAM之后如何辨识边界，获取边界点集合之后，获取边界目标点，上图中主要展示的是目标点是边界点集合的几何中心位置，目前的开源代码上可供选择的模式还有最近点和中点。

在检测过程中，需要对未知区域进行一些处理，在后续一些别的论文中也有关于frontier的说明，会有一些形态学的处理方法，使得frontier尽量是单个像素（栅格）组成的，关键这部分的说明，文章也不是很多，然后在论文里也是浅谈则止。最后找最近的边界目标以深度优先的方式进行探索。

整个过程如上图所示，作为active_SLAM的先行者，在后续很多关于active_slam的论文中，都会以frontier_exploration作为对比方案，或者在所提算法不行时，切换到frontier_based的探索模式。

开源代码仿真

建议ubuntu 14.04 + indigo
也可以参考wiki-frontier_exploration

第一步

安装一些依赖项

sudo apt-get install ros-kinetic-frontier-exploration ros-kinetic-navigation-stage

第二步

可以直接运行下面两个launch文件，wiki上有3个，其中有个貌似是多余的，已经包含在前一个的launch文件中

roslaunch navigation_stage move_base_gmapping_5cm.launch

roslaunch frontier_exploration global_map.launch

下面的步骤可以直接参照wiki上的进行。
建议在关于costmap的参数文件中，把机器人半径设置的稍微小一些。

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后来用北阳的UTM-30LX和先锋机器人进行了实验，需要remap一下消息

rosrun hokuyo_node hokuyo_node scan:=base_scan

rosrun rosaria RosAria RosAria/cmd_vel:=cmd_vel

环境如下

建图效果

由于没有好好的调过参数，建图过程也是缓慢至极，经常绕圈。后续会更新有关先阶段一些active_SLAM的论文和方法。

有问题可加群 (移动机器人导航与控制群：199938556) 讨论交流，进群修改备注。