Robot navigation on construction sites using building information modeling and geographic information system

Karimi, Sina (2021). Robot navigation on construction sites using building information modeling and geographic information system. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Productivity is one of the issues that construction industry needs to address. The interest in gaining higher rate of efficiency in construction projects is growing especially with advancement in other technological disciplines such as robotics, sensors, etc. Among different propositions to cope with productivity issue, construction automation has shown great potential in this regard. Progress monitoring of construction projects is one of the challenges that requires some level of automation. Conventional methods of progress monitoring rely on textual data and subjective interpretation of the employees involved in this regard. With advancement in mobile robots’ capabilities in recent years, the interest in deploying robots on construction sites is increasing since they are able to navigate autonomously and acquire data. The robots can gather new kinds of on-site data that can be used for progress monitoring. One of the steps in mobile robot deployment on construction sites, is the autonomous navigation. Indoor and outdoor robot navigation can be improved with the building-related data namely Building Information Modeling (BIM) and Geographic Information System (GIS). The former can provide the building elements features and the latter would provide the surrounding site information of a construction project. BIM-GIS would provide semantic information that can be used for enhanced obstacle avoidance, improved path planning, and semantic navigation. The semantic navigation of mobile robots enables non-experts since they share their domain-specific knowledge. In this dissertation, we develop the following:
• A Systematic Literature Review (SLR) using novel methods of bibliometric analysis combined with qualitative analysis to identify the state-of-the-art and the gaps in using BIM and GIS for robot navigation.
• An Ontology-based approach to bridge the construction and robot navigation knowledge using established ontologies. The ontology is then used to retrieve the relevant information to be translated to the robotic system.
• A BIM-based path planner using IFC semantics integrated with robot navigation system using building elements geometries and semantics.

The building-related knowledge used in this research is gathered from different sources including detailed and thorough literature review, a case study and established standards of the robotic domain. We used experimental field test to validate our approach with an industrial partner. This research contributes to the field of robot deployment on construction sites to collect data that can be used for many applications such as progress monitoring, quality control and safety inspection. The developed solutions can be used for safer, easier and more intuitive mobile robot deployment on construction sites.

Titre traduit

Navigation par robot sur les chantiers de construction à l’aide de la modélisation des informations du bâtiment et du système d’information géographique

Résumé traduit

La productivité est un des problèmes majeurs auquel l’industrie de la construction doit s’attaquer. L’intérêt de gagner en efficacité dans les projets de construction croit surtout grâce à l’avancement d’autres disciplines technologiques telles que la robotique, les capteurs, etc. Parmi les différentes propositions pour faire face aux problèmes de productivité, l’automatisation dans la construction a montré un grand potentiel. Le suivi de l’avancement des projets de construction est l’un des défis qui nécessite un certain niveau d’automatisation. Les méthodes conventionnelles de suivi des progrès reposent sur des données textuelles et une interprétation subjective des employés impliqués. Avec l’évolution des robots mobiles ces dernières années, l’intérêt pour leur déploiement sur chantier augmente grâce à leur capacité à naviguer et à acquérir des données de manière autonome. Les robots peuvent collecter de nouveaux types de données sur site qui peuvent être utilisées pour le suivi des progrès. L’une des étapes du déploiement des robots mobiles sur les chantiers est la navigation autonome. La navigation robotique intérieure et extérieure peut être améliorée avec les données relatives au bâtiment, tel que la modélisation des informations du bâtiment (BIM) et le système d’information géographique (GIS). Le BIM peut fournir les caractéristiques des éléments de construction et le GIS les informations sur le site environnant d’un projet de construction. Le BIM-GIS permettra d’utiliser des informations sémantiques qui pourraient être utilisées pour un meilleur évitement d’obstacles, une meilleure planification des trajectoires et une navigation sémantique. La navigation sémantique des robots mobiles est possible pour les non-experts car elle permet le partage de connaissances spécifiques au domaine. Dans cette thèse, nous développons les éléments suivants:
• une revue systématique de la littérature (SLR) utilisant de nouvelles méthodes d’analyse bibliométrique combinées à une analyse qualitative pour identifier l’état de l’art et les lacunes dans l’utilisation du BIM et du SIG pour la navigation robotisée.
• une approche basée sur l’ontologie pour relier les connaissances de la construction et de la navigation robotique à l’aide d’ontologies établies. L’ontologie est ensuite utilisée pour récupérer les informations pertinentes à traduire dans le système robotique.
• un “Path Planning” basé sur le BIM utilisant la sémantique de l’IFC, qui est intégrée au système de navigation du robot en utilisant la géométrie et la sémantique des éléments de construction.

Les connaissances liées au bâtiment utilisées dans cette recherche sont rassemblées à partir de différentes sources, incluant une revue documentaire détaillée et approfondie, une étude de cas et des normes établies du domaine robotique. Avec l’aide d’un partenaire industriel, nous avons réalisé des tests expérimentaux sur le terrain pour valider notre approche. Ces recherches contribuent du déploiement de robots sur les chantiers de construction pour la collecte de données utilisables pour de nombreuses applications telles que la surveillance de l’avancement, le contrôle qualité ou la sécurité. Les solutions développées peuvent être utilisées pour un déploiement de robot mobile plus sûr, plus facile et plus intuitif sur les chantiers de construction.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master’s degree with thesis in construction engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 107-121).
Mots-clés libres:	BIM, GIS, IFC, robot mobile, ontology, path planning, collecte de données, navigation
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Iordanova, Ivanka
Codirecteur:	Codirecteur St-Onge, David
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie de la construction
Date de dépôt:	09 nov. 2021 20:26
Dernière modification:	09 nov. 2021 20:26
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2782

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