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8/2/2019 Kriechbaum Thesis
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T o o l s a n d A l g o r i t h m s f o r M o b i l e R o b o t N a v i g a t i o n w i t h
U n c e r t a i n L o c a l i z a t i o n
K r i s t o p h e r L . K r i e c h b a u m
s n l p l l l m n o m n
o h o
h o o o l o o
g l o n s n o n o l o
d n D g l o n
P H H T
@ h n d d w P Q D P H H T A
8/2/2019 Kriechbaum Thesis
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P H H T
u o v F u m
e l l d
8/2/2019 Kriechbaum Thesis
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4/146
A c k n o w l e d g e m e n t s
s o n k m d D t o l f d k D o d n D o D n d o n n n F
s o l d l k o n k o o m l o o n m l l s k n o o u l m n l F
w n k o o o o o l n d d k F s o l d l k o n k l l
m m o g l h e e q n d g l l n m o o d n m
n n F
w o o d n d n d o m v g m n n d t m d o d o d d m n o E
l d o n D l l m n d d d o n F w n n k o w l o l D
x o l r d o n D e l n d o n d D w o m d i l E x D t o u l m o D n d m o
g n o l o d d F s l o n o n k e o n d y o m
o n m n n o o o k o n k n d D n d g l g l o m
o n m n n o o o k n n F
s o l d l k o n k m m l o l o n d o D n d y l o n o n E
d o n l l o o n l d o n F w o o l l D s o l d l k o n k m D w D
o o n n o n o m n o o m d F
8/2/2019 Kriechbaum Thesis
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A b s t r a c t
l o m o l o o o l o l z l m n o l l l o n
n o n o m o n o n F n o d n o o l n d l o m o d n
o o l o l z o n n d n o n F s n o d n n n m n m o d
n o o l n o n o m o d l F m o d n o o n m o d
o m o o d o m F l o n o d o m n d o m o m n o l m o l
o o o d o m F s n d d o n D s d n n o E d l n n n l o m
o o o l l o l o l l o m l o o l o o n D d l o
o n o m o o d o m o l o m o l F o o
d n d l n F n l o m D s l l y m E f D 4
o m l n d o F p n l l D s d l o d n o n E l n m o o n l n n n o d
d m n o o l o m l l l l o o o o l o l z l o l F
l o m l l d n n f F 4 s n l D o n o o o 9 o
m o l m n m z d F n l k l o o d
o o l l l l l o d d o l D n n n n o
l o l z o n d n m o m n l o n F o o 9 o n o n
k n o n n n o n m n o m o l o l z o n F
o d n n o o l o m o l o o l o l z o n n d m n o d
o m n o E d m o o n l n n n F
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C o n t e n t s
A c k n o w l e d g e m e n t s i v
A b s t r a c t v
1 I n t r o d u c t i o n 1
I F I w o o n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I
I F P o o o k F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F P
I F Q g o n o n o F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F S
I F R y l n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F T
2 B a c k g r o u n d 8
P F I n n f F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F V
P F P u l m n p l n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I I
P F P F I f F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I P
P F P F P u l m n p l n d o o v o l z o n F F F F F F F F F F F F F F F I S
P F P F P F I v o l z o n o o n o o n v n d m k F F F F F F I S
3 W e i g h t e d S c a n M a t c h i n g 2 1
Q F I s n o d o n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F P I
Q F P d n n o w n o l m F F F F F F F F F F F F F F F F P S
Q F P F I w m n w o d l F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F P S
Q F P F P e q n l g o n w o d l F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F P U
Q F P F Q h l m n i m o n w m m v k l o o d F F F F F F F F F F P V
Q F P F R e l o m n d s s n l g o n d o n F F F F F F F F F F F F F F F Q H
Q F P F S g o n o h l m n i m o n i o F F F F F F F F F F F Q I
Q F Q n w n i o G x o w o d l F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F Q Q
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Q F Q F I w m n o x o F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F Q Q
Q F Q F P g o o n d n i o F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F Q R
Q F Q F Q w m n f i F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F Q U
Q F R l o n o o n g o o n d n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F Q V
Q F S i m n s n d n e n l F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F Q W
Q F T i m n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F R H
Q F T F I o n n d e g o m o n F F F F F F F F F F F F F F F F R H
Q F T F P w l E n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F R U
Q F T F Q g o m o n o g o m o n l h m n d F F F F F F F F F F F F F F F F S H
Q F T F R i m n f g o m n o n F F F F F F F F F F F F F F F F F S I
Q F U g o n l o n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F S P
4 O p t i m - B u g 5 4
R F I n d h n o n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F S R
R F P y m E f y F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F S T
R F Q o o F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F S W
R F R o o o g o m l n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F T H
R F S g o n l o n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F U I
5 P a t h O p t i m i z a t i o n 7 2
S F I v o l z o n p m o k F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F U P
S F P g o p n o n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F U S
S F Q l y m z o n e o F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F U T
S F R s n l g o n d o n q n o n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F U W
S F S l F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F V H
S F S F I o o h q o l F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F V P
S F S F P o o p o l l o v n d m k F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F V Q
S F S F Q i m l y l F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F V R
S F T m m n d h o n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F V S
6 U n c e r t a i n B u g 8 8
T F I n d h n o n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F V W
T F P w o o n n d f k o n d F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F W I
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T F Q n n f e l o m F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F W P
T F Q F I i o n n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F W R
T F R n n f e l o m o F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F W T
T F S m l o n l F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I H H
T F T h o n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I H P
7 C o n c l u s i o n 1 0 5
U F I m m o g o n o n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I H S
U F P p h o n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I H T
A W e i g h t e d S c a n M a t c h i n g D e r i v a t i o n s 1 0 7
e F I d n l o n o l o n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I H U
e F P d o o n o l o n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I H U
e F Q g o n i m o n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I I H
B I m p l e m e n t a t i o n D e t a i l s 1 1 4
f F I y l g o n n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I I R
f F I F I g o n n i o n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I I T
C S h o r t e s t P a t h P r o p e r t i e s 1 1 9
D B o u n d e d U n c e r t a i n t y F r e e s p a c e 1 2 4
h F I q o l y n l F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I P R
h F P q o l n d y n v n d m k F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I P T
h F Q q o l n d w l l v n d m k F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I P V
B i b l i o g r a p h y 1 2 9
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L i s t o f F i g u r e s
P F I l o l n n D o o n l o l n o d D T
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D d d d F F F F F F F F W
P F P e o n o o o l d n o o n d o l l o n m o d F F F I H
P F Q e n m l n n f n o o n k o l D
o l F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I P
P F R o u l m n l o m o l o o l o l z o n F F F F F F F F F F F F F F I S
P F S e E o o n m l F o o m o o n n E
o o F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I W
P F T e n l E o o n m l o n m l l l F F F F F F F F F F F I W
P F U i m l d l l n n l n d m k o l o l z o n F F F F F F F F F F F P H
Q F I q o m o n n n o F o o d n n n
n o i n d j F l n o o o o n D l x E y d n o
o o 9 o d d n m F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F P P
Q F P n o n o n n o l d n n o n F F F F F F F F F P R
Q F Q e A i m n n l d l m n o n n n k n
n l o F f A g l o o o o o l F F F F F F F F F F F F F R P
Q F R e A i m n n l d l m n o n n n k n
d n o F f A g l o o o P l F F F F F F F F F F F F F F F R R
Q F S e A i m n n l d l m n o n n n o n E n E
o n m n F f A g l o o o P l F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F R S
Q F T e A i m n n l d l m n o n n l l n o n E
m n F f A g l o o o P l F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F R T
Q F U e A e I H W E o Q P F V E m l o o F f A g l o o n l o D o n
o n m o d n d n d l o m F F F F F F R V
Q F V e A V Q E o P R F P E m l o o F f A g l o o n l l o o o F F F F F F F F F F F R W
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Q F W n o n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F S I
R F I c u r r e n t v i s i b i l i t y s e t s D v @ x
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A D o n l o o n o o E F
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2
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2
b l o c k i n g o b s t a c l e F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F S S
R F P t o t a l v i s i b i l i t y s e t D V
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D o m o E o l m l o
p R F I F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F S T
R F Q e o l m l o n o l n d o n D n n o n D n d
o d o l E n n l n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F T H
R F R s l l o n o v m m R F I o n o l l D V
t o t
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R F S e l n n o n d l o k n o l D o o l
n m n o o l o n d o n o E
o l k n o n m n F s m d d o n l o n d m n n o
o n o F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F T S
R F T e o l n o o n o y m E f n o l l k
n d o l o n l o k n o l F l o l l o o n n o
o o n d m n m d o F F F F F F F F F F F F F F F F F F T U
R F U e o l m l o o l o k d m o l F
o o n o o l n o o 9 m d n o d d k o l o F F F T V
S F I n o n m n m d o l n n n o F o o
l o o n x
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n d n d o l o x
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F L
1
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2
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S F Q i m l o o n l l d o l n o d o l n d E
m k F p o m l D n n n l o d o l n d m k E
o o m o n d o l D l o n o o l n d m k F F F F V Q
S F R e m l E o o n n l d o m o
n o d o l n d m k F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F V R
S F S e n m l m l o l F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F V S
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S F T m l n d m k o n o n o p S F R F y l l d
o l o k o n l o m l F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F V T
T F I m d o n n f l o m F o o d o n o k n o
o o n o o l n n o n m n F o o 9 n o n
n n n D r F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F W H
T F P r o l m l o o o o o
n o n n n o l F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F W S
T F Q p l l n n m n o n o n d o n o n n f F
n o o o n d d l n F o o l l o l l o
o o n l l d x
2
F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F W V
T F R e m l o n o n n f F n n f o n n k
d d l n F p n l o o l Q W 7 o o o n n f F I H I
T F S l n n d o W n d I H F x o n o o
o l D E l n D k n n o o n n n o m o n o
o l d F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I H P
T F T e m l o n o n n f F n n f o n n k
d d l n F p n l o o l Q P 7 o o o n n f F I H Q
f F I e o o n o o o n o l F F F F F F F F F F I I S
f F P o n l l n n d l F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I I S
g F I e d n d o n o n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I P H
h F I w m m z o o n l l o n d l d o F F F F F I P S
h F P o o n o m o l n d
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d k n d o F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I P T
h F Q e o n d o n o o n o m o l o l d d
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h F R n o n o m l l F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I P V
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L i s t o f T a b l e s
Q F I o o n n d o n o n o l o l n o n l o n F F R I
Q F P o n n d o m o n o l n l E
o n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F R I
8/2/2019 Kriechbaum Thesis
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I
C h a p t e r 1
I n t r o d u c t i o n
1 . 1 M o t i v a t i o n
l o m o l o o o l o l z l m n o l l l o n
n o n o m o n o n F n o d n o o l n d l o m o d n
o o l o l z o n n d n o n F s n o d n n n m n m o d
n o o l n o n o m o d l F m o d n o o n m o d
o m o o d o m F l o n o d o m n d o m o m n o l m o l
o o o d o m F s n d d o n D s d n n o E d l n n n l o m
o o o l l o l o l l o m l o o l o o n D d l o
o n o m o o d o m o l o m o l F o o
d n d l n F n l o m D s l l y m E f D 4
o m l n d o F o m o d n d o m y m E f d o n
d o n o o o d o n o o o n l k n o l d F
p n l l D s d l o d n o n E l n m o o n l n n n o d d m n
o o l o m l l l l o o o o l o l z l o l F l o m
l l d n n f F 4 s n l D o n o o o 9 o m
o l m n m z d F n l k l o o d o o l l l l
l o d d o l D n n n n o l o l z o n d n
m o m n l o n F s m o o n m o @ o l n n A
l n d m k l l o d n l o l z o n o F o o 9 o n o l o
l n d m k n d m o l o l z o n F s l o m o o
n o o d o m F r n D l o m l n d l n n l o n
l o o l n d m k @ n n l l o l z o n l A n d o
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14/146
P
n o d l o d o m o F m o d n l o n l d n o l o l z o n
d d o n o o @ F F D n l n o n n A o o @ F F D
l n m n l o m R P A o o o n n m o d l d n u l m n l
m o k F s n m l o n n d n D s o l o n o m n o n
o l n d m k n d o n E o d o d o m F
o l d l o n l n n o m l n n d o n F e
c o r r e c t l o l l n @ F F D d o n o n n o l A F
g o m l n m n l n n l l n o o l o n D n d l l
m n n n m o n o m F i n l l l l o o m l n d o n o E d
m o o n l n n n l o m m o o k n o l d o l o o n l l
m @ F F D I I D P H D Q V A F y o d n D m o n m n o o d D n d
o o l l l k l l o n o o o l o o n d d l F x o n l D
n n m o d l z d n o n m n D l o l z o n o m o o o n
o o l o o l l n n n d o F l d o m l n o l o l z o n n d
m n @ v e w A o d m n l o o l o l k o o 9 o l o F r o D
v e w l o m d o n o l l d d o n o n F s d o n n n
n o n o l m n d l o l z o n n d m n o l m s o o d
o k F
w l n n n m o d k n o o n o d o l n d m l d
n n u l m n l o l o l z o n F r o D o o k n l o l z o n
n d m n n o l l d d d o l m o o o l n o o o l
l k n n o o n o l l o l z o n n n F s n d D m o
n o n n o o n n l d o d l n d m k n o m D n d l o l z n o o
n m m n o n l k n o n l n d m k Q I D S H D S S F
1 . 2 R e v i e w o f P r i o r W o r k
o m o l o m l n d o n o E d m o o n l n n n l o m
f l o m v m l k n d n o Q V F f l o m m n o n m o
n o n o o n o n d o n o o o o n n
o l F o o o l l o l n m o n o m
o l l F l o m o n o l f 4 E l k l n n F
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Q
u m o n D m o n D n d l n n d d f l o m o o n o
n n n d Q T H l d o n n n f P H F n n f o d l o c a l l y
o p t i m a l F l o l l o m l n o m l n
o o 9 l m d k n o l d o n o n m n F v m o d d l o m
o o n o m o l m d l d o n d f P T F e l l o
f E l l o m n o m m o m n F r o D l l
o o o o n k n o l d l l m F
o d m m o d D g o 9 r q q I I D k d n o o o E
l m F o d m n n o o l o l o n o n m n D
o n n o o d j n o o m F o d m n m o n n o
o D l d n m n g n o o d n F s n l l o m o d
o o o o n n o o o o o l d d k o n n o
o o F
n m o m o d l l o k o o 9 o o n m F
s n o m D m k d d E k o n n m o n l F w n P E h
n n o m o o o o n n o o d q o n z l z n d q z I U
n d v n d w l o Q T D Q U F n m n l o m l l m l
n o n n m m n F l o m n n
d n o o o o n m l n o n m n o n d l m o n F
e n m o d o m o d o d o m l l l l o m o l m o o n o o n
m o o m F o d m o D m o d n m m n o
n l m d F i l o k n u l m n l I W o o o l o l z o n
o o d w o l n d g l R H D g o I R D n d m l F R W D S H F y n
m o o n l o o n o n m o l n d m k o n
n o n m n o o n o n z F i n o n o n l d m o d o o o
o l E l l n d m k n d n o o m n o m Q I F y m o d
l l I T D S R l l o k n o n o n E q n d o n F n o o l
u l m n l o l o l z o n o m n d d m o d n m o l o o F
n o k d k n o o 9 l o l z o n l n d l n d m k n o
o n o l n n n o F v o D w o D n d f Q S o d d
n l n n d d l d o l o n o o l m o o o n o n l o n o n
o o o o o m z l o l o l z n n o o l k n o n l n d E
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R
m k F m o d m l n d m k l k n o n D n d d o n o o n d
n n o o m o o n F s l o d o n o n o o m o m n o d o l F
f l F V D W l n d m k n n o n n n o n n F
o m l d o o l m w k o d o n o F m o d
l o l n d m k o n d o n d F i d
o l m n d n o m o n o o l d
l o n o D F F D l n d m k n d d o m n l n d m k F f l
n d u l l n U k m l o D m o n d o n l
k n o n n o l F x o o n d l o l z o n l l o n
F
v z n n d v o m P W D Q H l o d l o d l o m o m o o n l n n n
l n d m k F m l n d m k o n n n d m o o n
o n F n o o n o n n o l n d m k D m d o o n d d
m o o n n n F d o n n o n o l n d m k
o o n l l F l m o d l l o n n n o o 9 m o o n D
o l o n n o n o l o l z o n o n n n n F
y o k o o d n o m n o n o o n m o n o n F
n n d f o o S T o n d d o m o n o m o o o o m n n
l o l z o n l n n E o o o m m n o n l l o d F o n o n
l o d m n n o o n m F m o d d o n o n o o
n l l n d m k D o o o o o m l o l z o n F
v o o l F Q Q D Q R o o n o o o n
o n o n n k n o l m F m o o o n d
o o n m o n l n o F o l
o m z o n o l m n o d n m o m m n n d o n m o n o
l l o l o F f k n o l m D n o n o o n o
n l o l l o o n F
z l F R Q n o d d E d l o m o l n m o o n o l o
o n o l l n o m o n o n n n d l o l z o n m F s n l D
o n o n l o o o n m F y d o m n d
n o o o n o m l l n n m o d l n o n l d d n o k F
v l l l F P U D P V d l o d o m n l m o d o m o o n l n n n
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S
n n | o m o d d o n o l l k l o l z o n n n n o
o n F l l d d o l m o n n n o n m n D d o o
o n n d l o o d n o o m l o D d o n o d d o o o
n n n d o d o m P V F f o o m o d d n m o m m n
l o m o o m o o l n F
v m n d p d P Q d d o l m o n n E l k o o
m o o n n d n n n n F o n o n o m n o n o l n n d
m o l o l z o n l l o n F o o m o
n o n m n F n d o l o l z o n n d n o n
o m F o n o m m o n n d n
o d m F o o m d n h j k l o m I Q F
y n o m o l o l l d o o k o l n o n 4 l o m o
n n d o o k R T D R U F o k m l l o m l d o n o n { d l E
o m o n d l l o o o o k d n o o l o n d
d E d m o n n o n m n F o m l o n l d n o l d n m o E
m m n @ o o l o n A o l o n F e l n D o l m n d n
o l d o l d n d n m o m m n F r o D m o m l o n
m m l o n o o l o n o m o n o m l o n o l o l o n F s n n D
n l l o l d n m l o l l o o n n d d n d n m o d F
1 . 3 C o n t r i b u t i o n s o f t h i s T h e s i s
n o d n l o m o m o o 9 l n d l m n d
m n o d n o E d m n o n l n n F f d o n m o d l o d n o n E
n D l o m o n o n o n o n o o l l m n
o o d n o n n F e m m m l k l o o d o m l o n d o m
o m l d l m n n o o n o F n n m o d l o n
o m m n n o D n o n d n n l D n d o o n d n o
d l o d F l o m o l o n o d l m n m
n o n d n o o k F o k d o n j o n l m l n d o
o m l o F
o m m o d o n D n n f l o m n n n o m z E
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T
o n m o k F o n l n n f d o n o l o l l o o o
o l F e n l o m l o l l o o o o l D n l m d n E
o m o n o o l d D d l o d F n l o m l l d O p t i m - B u g F s o
n l o m o m l n d o F l n d n l d o m y m E f
d o m o d o n n d d l o m n o n l o m o n d l o n o
o d o m n d m n n F
e n o E l n o m z o n m o d m n o m l k n o l d o n o n m n
o m o m n m z o o o n n o l n d F f
m n m z n o o 9 d o o n o o n o l D s m m m z n
o l o o l l l o o n z o l n o o n m
o l F o m z o n m o d o d d n
n n o E d l n n n l o m n d l o l z o n n d m n n F
e m n o n o n o o k n o E d l n n n l o m l l d U n c e r t a i n
B u g D n o o n o m d o d d E k o n n n d o k n o l E
d o n o n m n 9 o m F n n f l o k n o o n n o n o
m m n n d n n l n d m k l o o n F s o o l n d m k
o n o n D o l o m o l n m o n l n d m k S Q D n o d d d n
F
n n f l o m n d o o l m n m z d
o o o o n n n o l F s m d o o n l o n o 4
o o l D l l l o o n z n d d l F y n o n d D n o
o l n o l d D l o m d l l F e n
n n o n n o o l d o o m l o o l n
n n l d o m F s n o o d D l o m
o o n l o n o m n n n o l o n n l l
l o n o o o l o o n z F
1 . 4 T h e s i s O u t l i n e
g P o d k o n d m l o n u l m n l n d n n f l o m F
s m d d o m k n o l d o u l m n l n D m n l
n d o o m o l o o F g Q n o n d l o m n
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U
n m n l o m F m n m o m n o o n n
l o m k n o o n n n o n o m m n F g R n o d
y m E f D n l o m l o l l o o o o l n n n k n o n
n o n m n F s o n n l o m o m l n d o F g S
n o d d l o n o m z o n m o d d o n d m l l
o o o m o n o l F f o l n d d l o o m z o n
o n d F p n l l g T n n n f l o m F n n
f l n l o o o m n n o l F
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V
C h a p t e r 2
B a c k g r o u n d
2 . 1 T a n g e n t B u g
o n o d o d o n o n n f l o m d l o d s
u m o n D i l o n m o n D n d i d l n n I W W S P H F w o n o n o y m E f
n d n n f o m o m n n f l o m F m o n n f o
n d o o l n k n o n n o m o o 9 n l o o n o o m
n o l l o o n F m n o n n o l @ o n A F w o o D
l o m m o l o d m n o l n l n n
m o n o m @ o m l n A F
o o l o o n x
R
D n d o m m n d d o m o o o o n o x
g
F
o o m d o d n o m n d o n l n o m m m n n
n o R F n n f m k o l o c a l t a n g e n t g r a p h D o v q F v q o n o
n o d o o 9 l o o n n d n d o n o n d o l D n d d n
o o n d n d o l n d o n F e n o o n l n o d D T
g
D d d d n o n
n l n m n x
R
x
g
n d l x
R
d o R F T
g
d d d
n d o n l l n m n d o n o n n o l n d d @ x
R
; x
g
A > R F T
g
o j o n o o l o n o l D n d d d d o n l E l n o
o l F p P F I o n m l o v q m l o o k l k F s n m l D
o o l n o o 9 l o n n o d D o T
g
d d d F
n n f o n o m o d X m o t i o n t o g o a l @ w q A m o d n d b o u n d a r y f o l l o w i n g
@ f p A m o d F h n m o o n o o l m o d D o o m o n o o n l l d d n
o o l F f o n d o l l o n d o l o l m n m n d n o o l
n o n F o o o n n l n n n o n m n n d o m n v q F
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W
LTG Edge
LTG Nodex
g
x
R
T
g
p P F I X l o l n n D o o n l o l n o d D T
g
D d d d F
v q n d o d m n n m o o n F o n o n d o n D
n n f n o o l l o l D l F
s n w q m o d D o o l m o l o o o l F e D o o
o n v q F x v q d o n d l o c a l l y o p t i m a l d o n l o n
o o o l d m o F s l o l l o m l n o o
o l D k n n o o n o n l o l n o m o n l l n n n n
n F w q m o d o n n n l o o o l o o o d
d n l o l m n m m o d n o o l n o n F o n d
n o l l o k n o o 9 F n n D l o m o
o n d o l l o n F
e n l n n o n o w q m o d o n o m l o n o l o l m F
g o n d n o m l o n o l o l m m @ o o A l o o n x
R
D
o l o m o n o x
g
F o l m o n d l o o m o
o m x
R
o x
g
D o o d n d o l l n o F w o o n o
o l m o d l n o o m l o n o l o l m n o n l o l n o m o n
@ o n n A n n l @ d n o d v @ q A A k n n o o n D n d o o
o n l o o n o n d v @ q A F l z o n n n f n
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I H
x
g
x
R
p P F P X e o n o o o l d n o o n d o l l o n m o d F
o m l d n o m l o n o l o l m m o l o m n g R n d T F
f o n d o l l o n m o d d o n o n d l o k n o l n
o o o m m k n o o d o l F o o o f p m o d
n n o n o d o v q l o o o l n n o o n |
d n l o l m n m o d n o o l n o n F e n m l o n f p m o d
m d n d n p P F P
n o f p m o d D o o m m d
m i n
D m l l d n o
x
g
o m n o n n n l l o n o n d
o l l o n n F s l o o o d o n o o l l o o l o n d F l
o l l o n o l o n d D v q o n n l l d d n d k d o l e a v i n g
c o n d i t i o n D n o d l l m o o o l o o o l n d
m i n
F n
n o d o n d D o o m o o n o d n d k o m o o n o o l m o d F
y o D o o n o n o l l m n n o l D
l o m m n F y n o n d D o o o m l l o o o n d o l
o n l n o n d o n D o l d m d n l n d l o m
m n F
n n f n m m X
I F w o o n o o l X g o o l o l l o m l o d o l D n l
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I I
@ A o l d F o F
@ A e l o l m n m m o d n o o l n o n d @ ; x
g
A d d F q o o
o n d o l l o n m o d F
P F f o n d o l l o n X k d o n o m o o n d o l F w o o n d
o l o n d l d n d
m i n
D l o n o n d d n o o l
o D n l
@ A o l d F o Y
@ A l n o n d o n m F q o o m o o n o o l m o d Y
@ A o o d o l n l F o F
m l o n l l l o o m l n d o l n n D n n f m
o o d d k o n n F D o o k n o l n
l o l n m l l m n o o F e n l m o n d o
n o o d o m o m l o E l d D n o n o D l l D n d o o F
x o m o m l l o D l l o o o n d @ d m o n d n
p P F S A F p P F Q d m l n o n n f l o m F s n m l D
o o 9 o d o m m o d q n n o F e l o
o l l l n D n l o o m l I S 7 o o l d n l d F
2 . 2 K a l m a n F i l t e r i n g
o n d u l m n l n d n o o F e u l m n l n
m o o l n m o d q n n o F s m d
d o m m l u l m n l D n d o n l o n o d o n o
u l m n l n n n o d o l n o o n n d k o m l F e
n o d o n D l o o m o l o o k n m m n o l n d m k
d d F l d n l n l o n F
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I P
0 5 10 15 20 25
10
5
0
5
10
X
Y
Goal
True Path
Estimated Path
Obstacle
p P F Q X e n m l n n f n o o n k o l D
o l F
2 . 2 . 1 T h e B a s i c s
e d E m u l m n l m x P R
n
o l n m o o l o n
d d d E m l n o n
x @ k C I A a F
k
x @ k A C B
k
u @ k A C G
k
w
k
@ P F I A
o m m m n z P R
m
m d o l d o o n
z @ k C I A a H
k + 1
x @ k C I A C v
k + 1
: @ P F P A
n d o m l w
k
P R
p
n d v
k + 1
P R
m
o n o n d m E
m n n o D l F m d o n d n d n D D n d q n n o
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I Q
o o l l o n o X
E w
k
a H ; @ P F Q A
E
w
k
w
T
k
a Q
k
; @ P F R A
E v
k + 1
a H ; @ P F S A
E
v
k + 1
v
T
k + 1
a R
k + 1
; @ P F T A
E d n o o n o o n F x o m n d m m n
m D F P R
n n
; B P R
n l
; G P R
n p
D n d H P R
n m
n d n o o n n F s l o
m d u @ k A k n o n m F
u l m n l o d n o m n D p r o p a g a t i o n n d u p d a t e
F o o n m d n m o d n m
n m F n m n o D d o n l l o m o
o d F d m m n z o l o m F
n m m n l o o d n o D o o n l l n o m k m
F v x @ k = j A m o m k D n m m n o m j F
m o n n o n l l l o d o d n o d n d n o o n o n
m n d m m n n d F x @ k C I = k A n o n d d o o
@ o m m n n o m o n n o o d A D l x @ k C I = k C I A n l o o o
o o @ m m n n o m o n n d A F m o
n m m w
k
k z o m n D
x @ k C I = k A a F
k
x @ k = k A C B
k
u
k
: @ P F U A
f l m o d n k n o n n o D m l l l
o m o F v o m o m k C I d n o d ~ x @ k C I = k A D
~x @ k C I = k A a x @ k C I = k A x @ k C I = k A : @ P F V A
o n o m o o o n D d n o d P @ k C I = k A D
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I R
n
P @ k C I = k A a E
~x @ k C I = k A ~x
T
@ k C I = k A
@ P F W A
a F
k
P @ k C I = k A F
T
k
C G
k
Q
k
G
k
: @ P F I H A
e m o m o l o n D m n d m o o n
o d F s n o m m n n o o d o d m o D m
o o n P @ k C I = k A l l o o o n d F d o u l m n l
d m o o n F
s n d n d o n D o l o n d n o n o o
m D x @ k C I = k C I A D o m n o n o o D x @ k C I = k A D n d d d n
n m m n D z @ k C I A D n d d d m m n D H
k + 1
x @ k C I = k A X
x @ k C I = k C I A a x @ k C I = k A C K
k + 1
@ z @ k C I A H
k + 1
x @ k C I = k A A : @ P F I I A
n @ z @ k C I A H
k + 1
x @ k C I = k A A m d r e s i d u a l F m K
K a l m a n g a i n D n d o n d m n m z n o o m o o n F
l n K n n n m n o m F y n o m
K
k + 1
a P @ k C I = k A H
T
k + 1
S
1
k + 1
; @ P F I P A
m S
k + 1
P R
m m
o n o d l @ z @ k C I A H
k + 1
x @ k C I = k A A X
S
k + 1
a E
h
@ z @ k C I A H
k + 1
x @ k C I = k A A @ z @ k C I A H
k + 1
x @ k C I = k A A
T
i
@ P F I Q A
a H
k + 1
P @ k C I = k A H
T
k + 1
C R
k + 1
: @ P F I R A
o n d n o o o o n D P @ k C I = k C I A D n l o k m n
o m F y n o m n
P @ k C I = k C I A a P @ k C I = k A K
k + 1
H
k + 1
P @ k C I = k A : @ P F I S A
m n o l o o m n m d n m
n o n E l n F s n m o o d o D n o n E l n m l n z d o
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I S
n m n n d o n F m o m l n z o n n d
o F d o n E x t e n d e d K a l m a n l t e r D o i u p F p o o o o
u l m n l D d d o Q W F
2 . 2 . 2 K a l m a n F i l t e r s a n d R o b o t i c L o c a l i z a t i o n
o l l o n o n o u l m n l o m o l o o n o n F p E
P F R d F o o l o d o o n x
R
D n d n m
n d n d G o n o l n d m k D d n o d x
L i
F n n d E
n m m n l l o o o o l l l o o n n l n d
l n d m k F
d
x
L 2
x
L 3
x
L 4
x
L 1
x
R
p P F R X o u l m n l o m o l o o l o l z o n F
2 . 2 . 2 . 1 L o c a l i z a t i o n o f a P o i n t R o b o t U s i n g L a n d m a r k s
s n o o n o o o n n g n o k D m o o n m o d l m
o o o m n d o n l m o o n l F o o n k n o l d o
l o o n o N l n d m k D l l o n o l n d m k l o o n F s
m d o o n o l d a t a a s s o c i a t i o n o l m P P D F F D o o n
d n l n d m k l o o k n F s n o n d o o n n o l l
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I T
l n d m k e o m l n d m k f D n m l l o m o d m d T F
o x o n n o o n o o o o n d l l o l n d m k D F F D
x a
h
x
R
x
L 1
x
L N
i
T
; @ P F I T A
x
R
g n o o n o o o n d x
L i
g n o o n o i
t h
l n d m k D
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P
R
x
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y
r
Q
S
n d x
L i
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P
R
x
L i
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L i
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o n l y e e c t t h a t w i l l l e a d t o d e p e n d e n c e i s p o s s i b l e c o u p l i n g s i n t h e c o r r e s p o n d e n c e e r r o r t h a t a r i s e i f t h e
g e o m e t r y o f t h e e n v i r o n m e n t i s a p r i o r i k n o w n .
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P r o p o s i t i o n 3 . 1 . T h e w e i g h t e d s c a n m a t c h t r a n s l a t i o n a l d i s p l a c e m e n t e s t i m a t e , p
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