I n t e r n at io n al   Jou r n al  of  A d van c e s  i n  A p p li e d  S c ie n c e s  ( I JA A S )   V ol .  14 , N o.  3 ,  S e pt e m be r   20 25 , pp.  724 ~ 739   I S S N :  2252 - 8814 ,  D O I :  10.11591/ ij a a s . v14. i 3 . pp724 - 739          724       Jou r n al  h om e page :  ht tp : // ij aas .i ae s c or e .c om   A u t on om ou s  n avi gat i on  sy st e m  f or  a r ove r  w i t h  r ob ot i c  ar m   u si n g c on vol u t i on al   n e u r al  n e t w or k s       A z i z  E l  M r ab e t 1 , H ic h am  H ih i 1 , M oh am m e d  K h al il  L agh r ai b 1 , M b ar e k  C h ah b ou n 1 ,    A ym an e  A m al aou i 2   1 L a bor a t or y of  E ngi ne e r i ng, S ys t e m s  a nd A ppl i c a t i ons , N a t i ona l  S c hool  of  A ppl i e d S c i e nc e s , S i di  M oha m e d  B e n A bde l l a h U ni ve r s i t y,  F e z , M or oc c o   2 L a bor a t or y of   I nnova t i ve  T e c hnol ogi e s , N a t i ona l  S c hool  of  A ppl i e d S c i e nc e s ,  S i di  M oha m e d B e n A bde l l a h U ni ve r s i t y, F e z ,  M or oc c o       A r t ic le  I n f o     A B S T R A C T   A r ti c le  h is to r y :   R e c e iv e d  O c t  22, 2024   R e vi s e d  M a y 21, 2025   A c c e pt e d  J un 8, 2025       The  aim  of  this   project  is   to  design   and  develop   an  autonomous   rover   equipped  with  a  KUKA   robotic  arm.  This   mobile  vehicle  will  be  able  to   move autonomo usly thanks to th e  use of ma chine  learning te chniques.  It will   also  be  able  to  detect  and  retrieve  objects   using  the  KUKA  arm.  The   rover   will  feature  Mecanum  wheels  for  improved   maneuverability  and  will  be   controll ed  by  a  Raspberry  Pi  3  board,  with  machine  learning  algo rithms   implemented  using  TensorFlow  and  Python.  The  developmen t  proce ss  will  follow  the  V - methodology.  The  use  of  such  an  autonomous  rover  and  its  manipulative  capabilitie s  opens  the   way  to   many   practical  applic ations,  including  sampling  in  dangerou s   or  difficult - to - access   environments,  search  and  rescue  operations  in   the  event   of  natural   disasters  or   industrial  acc idents,  and  inspection  and  maintenance  of  industrial  or  construction  sites.  Th e  rover  could  also  be  used  for educational  purposes,  enabling  students   to  expl ore  the  concepts o f roboti cs and art ificial  intell igence.   K e y w o r d s :   C onvolut io na l  ne ur a l  ne twor ks   M A T L A B   P yt hon   R a s pbe r r y P i  3   R obot  a r m   V - s ha pe d   This is an  open  acce ss artic le unde r the  CC BY - SA   license.     C or r e s pon di n g A u th or :   A z iz  E l  M r a be t   L a bor a to r y of  E ng in e e r in g, S ys te m s  a nd A ppl ic a ti ons , N a ti ona l  S c hool  of  A ppl ie d S c ie nc e s   S id i  M oha m e d B e n A bde ll a h U ni v e r s it y   F e z , M or oc c o   E m a il :  a z iz .e lm r a be t@us m ba .a c .m a       1.   I N T R O D U C T I O N   T he   r a pi d  a dva nc e m e nt   of   r obot ic s   ha s   le d  to   th e   de v e lo pm e n t  of   a ut onomous   s ys te m s   c a pa bl e   of   pe r f or m in g  in tr ic a te   ta s ks   w it h  m in im a l  hum a n   in te r ve nt io n.  A   s ig ni f ic a nt   br e a kt hr ough  in   th is   f ie ld   is   th e   in te gr a ti on  of   r obot ic   a r m s   w it h  m obi le   pl a tf or m s ,  w hi c h  e nha nc e s   th e ir   v e r s a ti li ty   a nd  e na bl e s   ope r a ti on  in   di ve r s e   e nvi r onm e nt s .  S uc h  s ys t e m s   ha ve   f ound  a ppl ic a ti on s   in   s e a r c h  a nd  r e s c ue ,  in dus tr ia l  a ut om a ti on,  a nd  a gr ic ul tu r a l  r obot ic s ,  a m ong  ot he r s .   H ow e v e r ,  de s pi te   not a bl e   pr ogr e s s   in   th e   de ve lo pm e nt   of   m obi le   r obot s   a nd  r obot ic   a r m s ,  m os t  e xi s ti ng  s ol ut io ns   te nd  to   f oc us   on  e it he r   m obi li ty   or   m a ni pul a ti on,  li m it in g  th e ir   a bi li ty  t o pe r f or m  a  b r oa d r a nge  of  t a s ks  a ut onomous ly . F or  i ns ta nc e , s ys t e m s  de s ig n e d f or  a ut onomous  s pa c e   r e nde z vous   of te n  pr io r it iz e   na vi ga ti on  u s in g  a c ti ve   s e ns or s   li ke   li ght   de te c ti on  a nd  r a ngi ng  ( L iDA R ) ,  r e le ga ti ng  vi s ua l  s e ns or s   s u c h  a s   c a m e r a s   to   s e c onda r y  r ol e s   [ 1] ,  [ 2] .  T he s e   s y s te m s   a r e   ty pi c a ll y  hi ghl y   s pe c ia li z e d  a nd t a il or e d t o s pe c if ic  e nvi r onm e nt s , w hi c h r e s tr ic ts  t he ir  br oa de r  a ppl ic a bi li ty .   R e c e nt   a dv a nc e m e nt s   in   m a c hi n e   le a r ni ng  a nd  s e n s or   te c hnol ogi e s   ha ve   e na bl e d  s ig ni f ic a nt   im pr ove m e nt s   in   a ut onomous   na vi ga ti on   a nd  obj e c t  m a ni pul a t io n  [ 3] .  N e ve r th e le s s ,  m a ny   of   th e s e   s ys te m s   r e ly   on  s pe c ia li z e d  h a r dw a r e   or   la c k   th e   f le xi bi li ty   r e qui r e d  f or  di ve r s e   r e a l - w or ld   a ppl ic a ti ons .   W hi le   s tu di e s   ha ve   de m ons tr a te d   th e   e f f e c ti ve ne s s   of   m a c hi ne   l e a r ni ng  a lg or it hm s   in   r obot ic   s ys te m s   f or   ta s k s   s u c h  a s   s or ti ng  a nd  obj e c t  c la s s if ic a ti on  [ 4] ,  th e   in te gr a ti on  of   th e s e   a lg or it hm s   w it h  m obi le   pl a tf or m s   a nd  r obot ic   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I nt  J  A dv A ppl  S c i     I S S N :   2252 - 8814       A ut onomous  nav ig at io n s y s te m  f o r  a r ov e r  w it h r obot ic  a r m  us i ng c onv ol ut io nal  ne ur al   …  ( A z iz  E l  M r abe t)   725   a r m s   r e m a in s   unde r e xpl or e d.  F ur th e r m or e ,  th e   de v e lo pm e nt   of   a ut onomous   r ove r s   e qui pp e d  w it h  M e c a num   w he e ls   e n a bl in g  om ni di r e c ti ona l  m ove m e nt   h a s   pr ovi de d  s up e r io r   m a ne uve r a bi li ty   c om pa r e d  to   tr a di ti ona l  w he e l  c onf ig ur a ti ons   [ 5] .  T hi s   c a pa bi li ty   is   c r it ic a l  f or   n a vi ga ti ng  c om pl e x  e nvi r onm e nt s ,  tr a ve r s in g  obs ta c le s ,  a nd r e a c hi ng t a r ge t  lo c a ti ons   w it h pr e c is io n.   T he   in te gr a ti on  of   a   K U K A   r obot ic   a r m   f ur th e r   e nha nc e s   th e   r ove r ' s   obj e c t  d e te c ti on  a nd   m a ni pul a ti on  c a pa bi li ti e s ,  e na bl in g  it   to   r e tr ie ve   obj e c ts ,  p e r f or m   in s pe c ti ons ,  a nd  e xe c ut e   hi ghl y  pr e c is e   ta s ks .  T he   c om bi na ti on  of   r obot ic   a r m s   w it h  m obi le   pl a tf or m s   ha s   be e n  e xpl or e d  in   num e r ous   s tu di e s ,   de m ons tr a ti ng  th e ir   pot e nt ia l  a c r os s   in dus tr ie s   s uc h   a s   a gr ic ul tu r e   a nd  m a nuf a c tu r in g  [ 6] – [ 9] .  A dva nc e d   m a c hi ne   le a r ni ng  te c hni que s ,  in c lu di ng  de e p  le a r ni ng  a nd  m ul t it a s k  c onvolut io na l  ne ur a l  ne twor ks   (M C N N ) ,  ha ve   f ur th e r   im pr ove d  th e   a da pt a bi li ty   a nd  a c c ur a c y  of   th e s e   s ys te m s .  F or   e xa m pl e ,  th e   Y O L O - M C N N   m ode l  ha s   pr ove n  e f f e c ti ve   in   c om pl e ti ng  m ul ti pl e   ta s ks ,  s uc h  a s   ta r ge t  de te c ti on,  pos e   e s ti m a ti on,  a nd  obs ta c le   s e gm e nt a ti on,  w hi c h  a r e   e s s e nt ia l  f or   a ut onomous   ope r a ti ons   [ 7] ,  [ 10 ] .  T he s e   a dva nc e m e nt s   r e duc e   th e  ne e d f or  m a nua l  in te r ve nt io n a nd e nha nc e  ope r a ti ona l  e f f ic ie nc y.   T hi s   pa pe r   pr e s e nt s   a   s tr uc tu r e d  a nd  va li da te d  a ppr oa c h  to   th e  de ve lo pm e nt   of   a n  a ut onomous   r ove r   s ys te m ,  e m pl oyi ng  th e   V - m e th odol ogy   a   pr ove n  pr oc e s s   f or   m is s io n - c r it ic a l  pr oj e c ts   r e qui r in g  hi gh   r e li a bi li ty   a nd  pe r f or m a nc e .  T he   r ove r ' s   de s ig n  in c or por a te s   a  R a s pbe r r y  P i  3  pl a tf or m ,  w hi c h  pr oc e s s e s   r e a l - ti m e   da ta   f r om   s e ns or s   a nd  c a m e r a s   to   gui de   th e   ve hi c le   th r ough  it s   e nvi r onm e nt .  A ddi ti ona ll y,  th e   s tu dy   e xpl or e s   th e   in te gr a ti on  of   m a c hi ne   le a r ni ng  a lg or it hm s ,  pa r ti c ul a r ly   c onvolut io na l  ne ur a l  ne twor ks   ( C N N s ) ,  w hi c h  a r e   c e nt r a l  to   th e   r ove r ' s   c a pa bi li ti e s .   T he   m odul a r   de s ig n  of   th e   s y s te m ,  de ve lo p e d  us in g   C a ti a   V 5,  is   di s c us s e d  a lo ng s id e   th e   a ppl ic a ti on  of   a dva n c e d  a lg or it hm s   a n d  th e   in te gr a ti on  of   a   K U K A   r obot ic   a r m   w it h  th e   m obi le   pl a tf or m .  T he   pa pe r   a ls o  hi ghl ig ht s   th e   im por ta nc e   of   s e c ur e   c om m uni c a ti on  pr ot oc ol s ,  s uc h  a s   ope n pl a tf or m  c om m uni c a ti ons  uni f ie d a r c hi te c tu r e  ( O P C  U A ) ,  a nd a dva nc e d da ta  m a na g e m e nt  t e c hni que s  i n  e ns ur in g  th e   r e li a bi li ty   a nd  s a f e ty   of   th e   a ut onomous   s ys te m .   B y  pr ovi di ng  a   c om p r e he ns iv e   ove r vi e w   of   th e   de ve lo pm e nt   pr oc e s s   a nd   de s ig n   c ons id e r a ti ons ,   th is   p a pe r   a im s   to   c ont r ib ut e   to   th e   br oa de r   f ie ld   of   a ut onomous   r obot ic s .  T he   f ol lo w in g  s e c ti ons   de lv e   in to   th e   s ys te m ' s   de s ig n,  th e   m e th odol ogy  e m pl oye d,  a nd  th e  e va lu a ti on of  i ts  pe r f or m a nc e , w hi le  a ls o di s c us s in g i m pl ic a ti ons  f or  f ut ur e  r e s e a r c h.       2.   M E T H O D   T he   de v e lo pm e nt   of   th is   r obot   f ol lo w e d  a   s tr uc tu r e d  a nd   s ys te m a ti c   a ppr oa c h  ba s e d  on   th e     V - m e th odol ogy. T he  V - s ha pe d de v e lo pm e nt  m ode l  is  a n i te r a ti ve , i nc r e m e nt a l  a ppr oa c h f or  s of twa r e  pr oj e c ts   th a t  ha ve   w e ll - de f in e d  r e qui r e m e nt s   but   ne e d  f le xi bi li ty .  T hi s   de ve lo pm e nt   c yc le   f ol lo w s   a   V - s ha pe   w it h  s e que nt ia l  a nd  p a r a ll e l  s te ps ,   in c lu di ng  r e qui r e m e nt s   a na ly s is ,  de s ig n,  im pl e m e nt a ti on,  te s ti ng ,   a nd   va li da ti on.  T hi s   m od e l  is   p a r ti c ul a r ly   w e ll - s ui te d  to   m is s io n - c r it ic a l  pr oj e c ts ;   e a c h  ph a s e   w a s   m e ti c ul ous ly   e xe c ut e d t o e ns ur e  t he   s ys te m ' s  r e li a bi li ty , f unc ti ona li ty , a nd r e pr oduc ib il it y.     2.1.  Re q u ir e m e n t s  an al ys is   A   c om pr e he ns iv e   a na ly s i s   of   bot h  f unc ti ona l  a nd  non - f unc ti ona l  r e qui r e m e nt s   w a s   c onduc te d  to   de f in e   th e   s c ope   a nd   obj e c ti ve s   of   th e   pr oj e c t.   T he   f unc ti ona l  r e qui r e m e nt s   f oc us   on  th e   r ove r ' s   c or e   c a pa bi li ti e s ,  w hi c h  in c lu de   a ut onomous   na vi ga ti on  us in g  m a c hi ne   le a r ni ng  te c hni que s ,  om ni di r e c ti ona l  m ove m e nt   e na bl e d  by  M e c a num   w he e l s ,  obs ta c le   de te c ti on  a nd  a voi da nc e   u s in g  ul tr a s oni c   s e n s or s ,  a nd   obj e c t  de te c ti on  a nd  r e tr ie va l  f a c il it a te d   by  a   KUKA  a r m   a nd  a   c a m e r a - ba s e d  vi s io n   s ys t e m .  T h e s e   c a pa bi li ti e s   e n s ur e   th e   r ove r   c a n  op e r a te   e f f e c ti ve ly   in   dyna m ic   e nvi r onm e nt s ,  lo c a t e   ta r ge t  obj e c ts ,  a nd   in te r a c t  w it h i ts  s ur r oundings .   I n  a ddi ti on  to   f unc ti ona l  r e qui r e m e nt s ,  th e   s ys te m   w a s   de s i gne d  to   m e e t  s e ve r a l  non - f unc ti ona l  r e qui r e m e nt s ,  s uc h  a s   pe r f or m a nc e ,  r e li a bi li ty ,  a nd  us a bi li ty .   T he   r ove r   m us t  ope r a te   w it hout   f a il ur e   f or   e xt e nde d  pe r io ds ,  r e c ove r   f r om   e r r or s   a ut onomous ly ,  a nd  pr ov i de   c le a r   s ta tu s   upda te s   to   non - te c hni c a l  us e r s .   H a r dw a r e   s pe c if ic a ti ons   in c lu de   th e   u s e   of   a   R a s pbe r r y  P i  3  a s   th e   c e nt r a l  pr oc e s s in g   uni t,   M e c a num   w h e e ls   f or   e nha nc e d  m a ne uve r a bi li ty ,  a   KUKA  a r m   f or   obj e c t  r e tr ie va l,   a nd  a   c a m e r a   f or   obj e c t  de t e c ti on  a nd   r e c ogni ti on.  O n  th e   s of twa r e   s id e ,  th e   s ys te m   le v e r a ge s   T e n s or F lo w   a nd  P yt hon  f or   m a c hi ne   le a r ni ng  a nd   c ont r ol   a lg or it hm s .  F in a ll y,   th e   de s ig n  a dhe r e s   to   s pe c if ic   budge t,   s iz e ,  a nd  w e ig ht   c ons tr a in ts   to   e ns ur e   pr a c ti c a li ty  a nd f e a s ib il it y.     2.2.  S ys t e m  ar c h it e c t u r e   T he   s ys te m   a r c hi te c tu r e   is   m odul a r ,  w it h  e a c h  m odul e   pe r f or m in g  a   s pe c if ic   f unc ti on   a nd   c om m uni c a ti ng  a s ync hr onou s ly   vi a   de di c a te d  to pi c s .  T hi s   de s i gn  e ns ur e s   f le xi bi li ty ,  s c a la bi li ty ,  a nd   e a s e   of   m a in te na nc e .  T he   c a m e r a   m odul e   c a pt ur e s   im a g e s   u s in g  th e   r ove r ' s   onboa r d  c a m e r a   a nd  publ is he s   th e m   to   th e   " im a ge _t opi c "   f o r   us e   by  ot he r   m odul e s .  T he   obj e c t  de te c ti on  m odul e   s ubs c r ib e s   to   th is   to pi c   a nd   a na ly z e s   th e   pi c tu r e s   w it h  a   C N N   ba s e d  on  th e   r e s id ua l  ne t w or ks   ( R e s N e ts ) - 50  a r c hi te c tu r e .  T hi s   m odul e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I S S N :   2252 - 8814   I nt  J  A dv A ppl  S c i ,  V ol .  14 , N o.  3 ,  S e pt e m be r   20 25 :  724 - 739   726   de te c ts   a nd  id e nt if ie s   obj e c ts   w it hi n  th e   im a ge s ,  publ is hi ng  th e   r e s ul ts   ( e .g.,  obj e c t  c oor di na te s   a nd  ty pe )   to   th e  " obj e c t_ de te c ti on_t opi c " .   T he   KUKA  a r m   c ont r ol   m odul e   s ubs c r ib e s   to   th e   " obj e c t_ de te c ti on_t opi c "   to   r e c e iv e   obj e c t   c oor di na te s   a nd  c a lc ul a te s   th e   a r m   m ove m e nt s   r e qui r e d  to   gr a s p  th e   de te c te d  obj e c ts   u s in g  in ve r s e   ki ne m a ti c s .  I t  th e n  publ i s he s   a r m   m ove m e nt   c om m a nd s   to   th e   " a r m _c ont r ol _t opi c " .  T he   w he e l  c ont r ol   m odul e   s ubs c r ib e s   to   th is   to pi c   a nd  a dj u s ts   th e   r ove r ' s   M e c a num   w he e ls   to   po s it io n  th e   r ove r   f or   obj e c t  r e tr ie va l,   publ is hi ng  w he e l  m ove m e nt   c om m a nds   to   th e   " w he e ls _c ont r ol _t opi c " .  F in a ll y,  th e   ul tr a s oni c   s e ns or   m odul e   m e a s ur e s   di s ta nc e s   to   s ur r ounding  obj e c ts   a nd  publ is he s   th is   da ta   to   th e   s ys te m ,  e na bl in g   obs ta c le  a voi da n c e  a nd na vi ga ti on.     2.3.  I m p le m e n t at io n  d e t ai ls   T he   im pl e m e nt a ti on  pha s e   in vol ve d  in te gr a ti ng  ha r dw a r e   c om pone nt s   a nd  de ve lo pi ng  s of twa r e   a lg or it hm s   to   br in g   th e   s ys te m   to   li f e .  T he   R a s pbe r r y  P i  3  w a s   s e t  up  to   c onne c t  w it h  th e   M e c a num   w he e ls ,  KUKA  a r m ,  c a m e r a ,  a nd  ul tr a s oni c   s e ns or s ,  f unc ti oni ng  a s   th e   c e nt r a l  hub  f or   da ta   pr oc e s s in g  a nd  c ont r ol .   T he   c ont r ol   a lg or it hm s   w e r e   e xe c ut e d  in   P yt hon,  ut il iz in g  T e ns or F lo w   f or   C N N - ba s e d  obj e c t  de te c ti on.  T he   R e s N e t - 50  m ode l  w a s   c ho s e n  f or   it s   ba la nc e   of   a c c ur a c y  a nd  c om put a ti ona l  e f f ic ie nc y,  a nd  it   w a s   f in e - tu ne d   f or  our  s pe c if ic  obj e c t  de te c ti on t a s k us in g a  d a ta s e t  of  l a be le d i m a ge s .   A   publ is h - s ubs c r ib e   m ode l  f a c il it a te d  c om m uni c a ti on  be t w e e n  m odul e s .  T hi s   m od e l  a ll ow s   a s ync hr onous   a nd  in de p e nde nt   op e r a ti on  w hi le  e ns ur in g s e a m l e s s   da ta  e xc ha nge .  T hi s  a ppr oa c h e na bl e s  e a c h  m odul e  t o f unc ti on a ut onomous ly  w hi le  r e m a in in g s ync hr oni z e d w it h t he  ove r a ll  s ys te m .     2.4.  Ve r if ic at io n  an d  val id at io n   E a c h  m odul e   w a s   r ig or ous ly   te s te d  in   i s ol a ti on  a nd  a s   pa r t  of   t he   in te gr a te d  s y s te m   to   e n s ur e   it   m e t  th e   s pe c if ie d  r e qui r e m e nt s .  T he   obj e c t  de te c ti on  a lg or it hm   w a s   va li da te d  us in g  a   da ta s e t  of   la be le d  im a ge s .  T he   r ove r ' s   n a vi ga ti on  a nd   obj e c t  r e tr ie va l   c a pa bi li ti e s   w e r e   te s te d  in   a   c ont r ol le d  e nvi r onm e nt ,  c onf ir m in g  th a t  a ll   f unc ti ona l  a nd   non - f unc ti ona l  r e qui r e m e nt s   w e r e   m e t.   T he s e   t e s ts   de m ons tr a te d   th e  s ys te m ' s   a bi li ty   to   a ut onomous ly  na vi ga te , de te c t  a nd a voi d obs ta c le s , l oc a t e  t a r ge t  obj e c ts , a nd r e tr ie ve  t he m  us in g  KUKA  a r m .       3.   O B JE C T  D E T E C T I O N  A L G O R I T H M   T hi s   s tu dy  f oc us e s   on  th e   im pl e m e nt a ti on  of   m a c hi n e   le a r ni ng   a nd  de e p   le a r ni ng  m e th odol ogi e s   to   de s ig n  a n  obj e c t  de te c ti on  f r a m e w or k.  A s   a   br a nc h  o f   a r ti f ic ia l  in te ll ig e nc e ,  m a c hi ne   le a r ni ng  a ll ow s   c om put a ti ona l  s ys te m s   to   a ut onomous ly   im pr ove   pe r f or m a nc e   th r ough  da ta - dr iv e n  le a r ni ng  a ut onomous ly ,   bypa s s in g t he  ne e d f or  di r e c t  pr ogr a m m in g. S uc h t e c hni que s  a r e  a ppl ie d e xt e ns iv e ly  i n doma in s  r a ngi ng f r om   voi c e   a nd  f a c ia l  r e c ogni ti on  to   t a r ge t  id e nt if ic a ti on  s y s te m s .  M a c hi ne   le a r ni ng   s tr a te gi e s   a r e   ty pi c a ll y  c a te gor iz e d  in to   th r e e   pr im a r y  ty pe s :  s upe r vi s e d   le a r ni ng  f or   la be le d  da ta   a na ly s i s ,  un s upe r vi s e d   le a r ni ng  f or   pa tt e r n di s c ove r y i n unla be le d da ta s e ts , a nd r e in f or c e m e nt  l e a r ni ng f or  de c is io n - m a ki ng opti m iz a ti on t h r ough   it e r a ti ve  f e e dba c k.   D e e p  le a r ni ng,  on  th e   ot he r   ha nd,  is   a   br a nc h  of   m a c hi ne   le a r ni ng  th a t  e xpl oi ts   a r ti f ic ia l  ne ur a l  ne twor ks   to   s ol ve   c om pl e x  pr obl e m s .  A s   il lu s tr a te d  in   F ig u r e   1,  de e p  ne ur a l  ne twor ks ,  s uc h  a s   C N N s ,  a r e   pa r ti c ul a r ly   w e ll - s ui te d  to   c om put e r   vi s io n  a nd   im a ge   c la s s if ic a ti on  ta s ks .  I n  our   ob je c t  de te c ti on  s ys te m ,  w e   ha ve  us e d a  pr e - e nt r a in e d  C N N .           F ig ur e  1. D e e p ne ur a l  ne twor k a r c hi te c tu r e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I nt  J  A dv A ppl  S c i     I S S N :   2252 - 8814       A ut onomous  nav ig at io n s y s te m  f o r  a r ov e r  w it h r obot ic  a r m  us i ng c onv ol ut io nal  ne ur al   …  ( A z iz  E l  M r abe t)   727   3.1.   P r e s e n t at io n  of  t h e  n e u r al  n e t w or k  c on vol u t io n  al gor it h m  an d  t h e   R e s N et - 50 m od e l   C N N s   r e pr e s e nt   a   c la s s   of   de e p  le a r ni ng  m ode ls   c om m onl y  us e d  f or   im a ge   c la s s if ic a ti on.  A s   s how n   in   F ig ur e   2,  t he y  e xpl oi t  c onvolut io n   ope r a ti ons   to   e xt r a c t  r e l e va nt   f e a tu r e s   f r om   im a ge s ,  th e r e by  r e duc in g  th e  c om pl e xi ty  of  t he  m ode l  in  t e r m s  of  pa r a m e te r s  t o be  l e a r ne d. T he s e   c onvolut io na l  ne twor ks  a r e  ge ne r a ll y  c om pos e d  of   c onvolut io n,  pool in g,  a nd  f ul ly   c onne c te d  la ye r s ,  e na bl in g  c la s s if ic a ti on  to   be   pe r f or m e d.  T he   ne twor k  is   tr a in e d   by  it e r a ti ve ly   a dj us ti ng  th e   w e ig ht s   of   th e   v a r io us   la ye r s ,   ba s e d  on   th e   tr a in in g  d a ta .  C N N   ha s   pr ove n  its   w or th  i n m a ny c om put e r  vi s io n a ppl ic a ti ons   [ 11] , [ 12] .           F ig ur e  2. E dge  de te c ti on pr oc e s s       T he   R e s N e t  a r c hi te c tu r e   w a s   s e l e c te d  f or   th is   pr oj e c t.   R e s N e t   is   a   de e p   c onvolut io na l  ne twor k  th a t  us e s   r e s id ua l  c onne c ti ons ,   m a ki ng  it   e a s y  to   tr a in   ve r y  de e p   m ode ls .  T he   ne twor k  is   bui lt   f r om   s ta c ke d  r e s id ua l  c onvolut io n  bl oc ks .   I n  a ddi ti on,  tr a ns f e r   le a r ni ng  i s   of te n  e m pl oye d  w it h  R e s N e t,   e na bl in g  pr e - tr a in e d c onvolut io n l a ye r s  t o be  e xpl oi te d f or  i m a ge  f e a tu r e  e xt r a c ti on.   E a r ly   a ppr oa c he s   to   im a ge   pr oc e s s in g  w e r e   ba s e d  on   th e   us e   of   f il te r s   to   e xt r a c t  f e a tu r e s   s uc h  a s   obj e c t  c ont our s .  F r om   a   m a th e m a ti c a l  poi nt   of   vi e w ,  th is   in vol ve s   th e   a ppl ic a ti on  of   c onvolut io n  ope r a ti ons ,   w hi c h c ons is t  of  s um s  of  e le m e nt a r y pr oduc ts  ove r  i m a ge  bl oc ks . C onvolut io n c a n be  de f in e d on a  2D  m a tr ix   a nd  c a n  b e   e xt e nd e d  to   vol um e s   [ 13] .  T he   im a ge   i s   th e n  r e pr e s e nt e d  a s   a   te n s or ,  w it h  di m e ns io n s   f or   he ig ht ,  w id th ,   a nd numbe r  of  c ha nne ls   [ 14] , [ 15] .     3. 1 .1.  P ad d in g a n d  s t r id e  i n  c on vol u t io n s   P a ddi ng  a nd  s tr id e   a r e   ke y  ope r a ti ons   f or   de a li ng  w it h  th e   lo s s   of   in f or m a ti on  a t  th e   e dge s   of   th e   im a ge   w he n  a ppl yi ng  c onvolut io ns .  P a ddi ng  c ons is t s   of   a ddi n g  z e r os   a r ound  th e   im a ge   to   ta ke   in to   a c c ount   pi xe ls   lo c a te d  on  th e   e dge s ,  w hi le   s tr id e   c ont r ol s   th e   s iz e   of   th e   out put   by  a dj us ti ng  th e   di s ta nc e   tr a ve le d  by  th e  f il te r  dur in g c onvolut io n. T he  f ol lo w in g s e c ti on e xpl or e s  t he s e  c onc e pt s  i n de ta il   [ 16] , [ 17] .   P a ddi ng:   w he n  a   c onvolut io n  is   a ppl ie d  w it h  a   ve r ti c a l  e dge   f i lt e r ,  pi xe ls   in   th e   im a ge ' s   c or ne r s   a r e   us e d  le s s   th a n  th os e   in   th e   c e nt e r ,  le a di ng  to   a   lo s s   of   e dge   in f or m a ti on.  T o  s ol ve   th is   pr obl e m ,  i t  is   c om m on   to   a dd  a   f r a m e   a r ound  th e   im a ge .  A s   il lu s tr a te d  in   F ig ur e   3,  th is   pa ddi ng  us ua ll y  in vol ve s   a ddi ng  z e r os   a r ound  th e   or ig in a l  im a ge   s o  th a t  pi xe ls   a t  th e   e dge s   c a n  be   ta ke n  in to   a c c ount   dur in g  c onvolut io n.  T he   dpi   pa r a m e te r  c or r e s ponds  t o t he  numbe r  of  e le m e nt s  a dd e d t o e a c h  s id e  of  t he  i m a ge .           F ig ur e  3. P a ddi ng i n  C N N s       S tr id e :  t he   s tr id e   c or r e s ponds   to   th e   s pe e d   a t  w hi c h   th e   f il te r   m ove s   ove r   th e   im a ge   dur in g  c onvolut io n.  T he   s iz e   of   th e   out put   de c r e a s e s   w it h  a   la r ge r   s tr i de ,  w hi le   a   s m a ll e r   s tr id e   ke e p s   it   la r ge r .  T hi s   di s ta nc e   is   r e pr e s e nt e d  by  th e   s  p a r a m e te r .  F or   e xa m pl e ,  a   s tr id e   of   1  in di c a te s   th a t  th e   f il te r   m ove s   one   pi xe l  a t  a   ti m e ,  w hi le   a   s tr id e   of   2  in di c a te s   th a t  it   m ove s   two  pi x e ls   a t  e a c h  s te p.  A s   s ho w n   in   F ig ur e   4,  th e s e   c onc e pt s   a r e   il lu s tr a te d  in   th e   f ol lo w in g  im a ge s ,  s how in g  a n  e xa m pl e   of   pa ddi ng  w it h  = 1   a nd  a   c onvolut io na l  pr oduc t  w it h  = 1 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I S S N :   2252 - 8814   I nt  J  A dv A ppl  S c i ,  V ol .  14 , N o.  3 ,  S e pt e m be r   20 25 :  724 - 739   728       F ig ur e  4. C onvolut io n  o pe r a ti on       A   r ig or ous   de f in it io n  of   th e   c onvolut io n  ope r a ti on  r e qui r e s   c la r it y  on  two  c r it ic a l  c om pone nt s :  pa ddi ng  a nd  s tr id e .  P a ddi ng,  pa r a m e te r iz e d  by  p,  pr e s e r ve s   s pa ti a l  e dge   in f or m a ti on  by  a ppe ndi ng  z e r os   a r ound  th e   in put   m a tr ix .  M e a nw hi le ,  s tr id e   ( s )   gove r ns   th e   di s pl a c e m e nt   in te r va l  of   th e   f il te r   dur in g  c onvolut io n,  di r e c tl y  in f lu e nc in g  out put   d im e ns io na li ty .  T he   c onvolut io na l  out put   is   c om put e d  a s   a   2D   m a tr ix ,  w he r e   e a c h  e nt r y  c or r e s ponds   to   th e   s um m a ti on  of   e l e m e nt - w is e   pr oduc ts   be twe e n  th e   f il te r ’ s   3D   te ns or   a nd  a n  ove r la ppi ng  s ub - c ub e   of   th e   in put   te ns or .  F or   a n  im a ge   w it h  di m e ns io ns   [ ℎ ,  ,  ]  ( ℎ : t he   s iz e   of   t he   he ig ht ,  : t he   s iz e   of   t he   wid h ,   a nd   : t he   n um b e r   of   c ha n n e l s ) .  I n  th e   c a s e   of   a n  R G B   im a ge ,  f or   e xa m pl e ,   = 3   w e   ha v e   r e d,  gr e e n ,   a nd   bl ue .  B y  c onve nt io n,  w e   c ons id e r   th a t   th e   K   f il te r   is  gr id de d a nd ha s  a n odd dim e ns io n note d f , w hi c h a ll ow s  e a c h  pi xe l  to  be  c e nt e r e d i n t he  f il te r  a nd t he r e f or e   to   ta ke   in to   a c c ount   a ll   th e   e le m e nt s   s ur r ounding  it ,  s o   th a t  w e   a ppl y  a   f il te r   of   di m e ns io n  [ , , ] .     T h e  c onv ol u ti o na l  pr od uc t  be tw e e n t h e   i m a ge   a nd   th e  f il t e r   i s  a  2D  m a tr ix , e a c h e l e m e nt   of   w hi c h i s   t he  s um   of   th e  m u lt i pl i c a ti on  pe r  e le m e nt   of   th e   c u be  ( f il te r )  a nd  t h e   s ub - c u b e  o f  t he  gi ve n i m a ge ,  a s  i ll u s tr a te d i n F ig ur e   5.           F ig ur e  5. T he  c ube  ( f il te r )  a nd t he  s ub - c ube  of  t he  gi ve n i m a ge       M a th e m a ti c a ll y,  th e   di m e n s io na li ty   of   th e   c onvolut io n  ope r a ti o n  be twe e n  a n  in put   im a ge   I   a nd   f il te r   K  i s  de f in e d a s   in  ( 1) .     d im (  ( , ) ) = { ( [ + 2 − + 1 ] , [ + 2 − + 1 ] ) ; > 0 ( ℎ + 2 − , + 2 − )   ; = 0   ( 1)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I nt  J  A dv A ppl  S c i     I S S N :   2252 - 8814       A ut onomous  nav ig at io n s y s te m  f o r  a r ov e r  w it h r obot ic  a r m  us i ng c onv ol ut io nal  ne ur al   …  ( A z iz  E l  M r abe t)   729   W he r e   ⌊ ⌋   is  t he  f lo or  f unc ti on of   .   C om m on c onvolut io n va r ia nt s   in c lu de :   ‒   V a li d c onvolut io n:   = 0   ‒   S a m e   c onvolut io n:  out put  s iz e = in put  s iz e → = − 1 2   ‒   1 × 1 c onvolut io n:   E m pl oys  a  uni t - s iz e d f il te r  ( = 1 ) , of te n us e d t o r e duc e  c ha nne l  de pt h ( )  w hi le   r e ta in in g s pa ti a l  r e s ol ut io n  ( , ) .   I n  th e   il lu s tr a ti ve   e x a m pl e ,   F ig ur e   5,   f il te r   va lu e s   a r e   m a nua ll y  in it ia li z e d  f or   c la r it y.  H ow e ve r ,  in   pr a c ti c a l  C N N s , t he   × ×   f il te r  pa r a m e te r s  a r e  opt im iz e d a ut om a ti c a ll y vi a  ba c kpr opa ga ti on dur in g t r a in in g .     3. 1 .2.  P ool in g   P ool in g  la ye r s   dow ns a m pl e   s pa ti a l  di m e ns io n s   ( ,  )   w hi le   pr e s e r vi ng  c ha nne l  de pt h  ( ) .     T hi s   ope r a ti on  a ppl ie s   a   f ix e d - a ggr e ga ti on  f unc ti on  ( non - tr a in a bl e )   to   lo c a li z e d  r e gi ons   of   th e   in put   te ns or ,   tr a ve r s e d by a  f il te r  of  s iz e   ×   w it h s tr id e   . T he  out put  di m e ns io n s  a r e  gove r ne d by   ( 2) .     d im (  ( ) ) = { ( [ + 2 − + 1 ] , [ + 2 − + 1 ] , ) ; > 0 ( ℎ + 2 − , + 2 − , )   ; = 0   ( 2)     S ta nda r d  pr a c ti c e   e m pl oys  s qua r e   f il te r s   ( × ) ,  ty pi c a ll y  w it h   = 2   a nd   = 2   to   ha lv e   th e   s pa ti a l   r e s ol ut io n w hi le  a voi di ng ove r la p. C om m on pooli ng f unc ti ons  i nc lu de :   ‒   A ve r a ge  pooli ng:  c om put e s  t he  m e a n of  va lu e s  w it hi n t he  f il te r ’ s  r e c e pt iv e  f ie ld .   ‒   M a x pooli ng:  e xt r a c ts  t he  m a xi m um  va lu e  f r om  t he  f il te r ’ s  w in dow .   U nl ik e   c onvolut io na l  la ye r s ,  pool in g  ut il iz e s   pr e de f in e d  op e r a ti ons   ( no  le a r na bl e   pa r a m e te r s ) ,  pr io r it iz in g  c om put a ti ona l  e f f ic ie nc y a nd t r a ns la ti ona l  in va r ia nc e  i n de e p n e twor ks .     3. 1 . 3 .  B u il d in g a  c on vol u t io n al   n e u r al  n e t w or k   la ye r  b y l aye r   A   C N N   is   c ons tr uc te d  by  s ta c ki ng  la ye r s ,  e a c h  pe r f or m in g  s pe c if ic   ope r a ti ons   li ke   c onvolut io n,  a c ti va ti on,  pool in g, a nd f ul ly  c onne c te d l a ye r s . F or  e xa m pl e , i n  th e  3 rd   la ye r :     I nput :  a t − 1 w it h s iz e   ( ( − 1 ) , [ − 1 ] , [ − 1 ] ) , [ 0 ]   be in g t he  i m a ge  i n t he  i nput     P a ddi ng:   [ ]   S tr id e :    [ ]   N um be r  of  f il te r s :  [ ] w he r e  e a c h     ha s  t he  di m e ns io n:   ( [ ] , [ ] , [ − 1 ] )   B ia s  of  t he   ℎ c onvolut io n   [ ]   A c ti va ti on f unc ti on:   [ ] ]   O ut put :  [ ]   w it h s iz e   ( [ ] , [ ] , [ ] )     a nd:     ∀  [ 1 , 2 , … , [ ] ]   ( [ − 1 ] , ) , = [ ] ( ∑ ∑ ∑ , , ( ) + − 1 , + − 1 , + [ ] [ − 1 ] = 1 [ − 1 ] = 1 [ − 1 ] = 1 )   ( 3)   d im (  ( [ − 1 ] , ( 1 ) ) ) = ( [ ] , [ ] ) ]   ]     t hus :     [ ] = [ [ ] ( ( [ − 1 ] , ( 1 ) ) ) , [ ] ( ( [ − 1 ] , ( 1 ) ) ) , … , [ ] ( ( [ − 1 ] , ( [ ] ) ) ) ]   ( 4)   d im ( [ ]   ) = ( [ ] , [ ] , [ ] )     w it h:     [ ] = {         ⌊ [ − 1 ] + [ ] − [ ] [ ] + 1 ⌋ ; > 0 [ − 1 ] + 2 [ ] − [ ]   ; = 0     ( 5)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I S S N :   2252 - 8814   I nt  J  A dv A ppl  S c i ,  V ol .  14 , N o.  3 ,  S e pt e m be r   20 25 :  724 - 739   730   w he r e   [ ] =         .   T he  l e a r ne d p a r a m e te r s  a t  th e   ℎ   la ye r  a r e :   ‒   F il te r s  w it h  ( [ ] × [ ] × [ − 1 ] ) × [ ]   pa r a m e te r s .   ‒   bi a s  w it h  ( 1 × 1 × 1 ) × [ ]   pa r a m e te r s  ( br oa dc a s ti ng) .   P ool in g  la ye r s ,  a s   s how n  in   F ig ur e   6,  hi e r a r c hi c a ll y  a bs tr a c t  s pa ti a l  f e a tu r e s   by  s ubs a m pl in g  in put s   w hi le  m a in ta in in g c ha nne l  c ons i s te nc y ( [ ] , [ − 1 ] , [ − 1 ] ) . T he  l a ye r ’ s  ope r a ti on i s  f or m a li z e d a s  f ol lo w s :     I nput :  [ ]   ( a c ti va ti on  f r om   la ye r   − 1 )   w it h  di m e ns io ns   ( [ ] , [ − 1 ] , [ − 1 ] ) ,   a nd   [ 0 ]   de not e s   th e   r a w   in put   im a ge .   P a r a m e te r s :  F il te r  s iz e   [ ] , s tr id e   [ ] , a nd pa ddi ng   [ ]   ( r a r e ly  a ppl ie d i n  pool in g) .   P ool in g f unc ti on:   [ ]   ( a ggr e ga ti on ope r a ti on, e .g., ma x or  a ve r a ge ) .   O ut put :   [ ]   w it h di m e ns io ns   ( [ ] , [ ] , [ ] = [ − 1 ] )     T he  out put  a c ti va ti on a t  pos it io n   ( , , )   in  l a ye r   ll   is  c om put e d a s :     , , [ ] =  ( [ − 1 ] ) , , = [ ] ( ( + − 1 , + − 1 , ) ( , ) ∈ [ 1 , 2 , … , [ ] )   ( 6)   d im ( [ ] ) = ( [ ] , [ ] , [ ] )     w it h:     [ ] = {         ⌊ [ − 1 ] + [ ] − [ ] [ ] + 1 ⌋ ; > 0 [ − 1 ] + 2 [ ] − [ ]   ; = 0     ( 7)   [ ] = [ − 1 ]           F ig ur e  6. T he   p ool in g l a ye r s       C N N s   a r e   hi e r a r c hi c a ll y  s tr uc tu r e d  a r c hi te c tu r e s   in   F ig ur e   7   th a t  it e r a ti ve ly   a ppl y  c onvolut io na l  la ye r s ,  nonl in e a r   a c ti va ti on  f unc ti ons ,   a nd  pool in g   ope r a ti o ns .  T hi s   s e qu e nc e   c onvolut io n  →a c ti va ti on→ pool in g   is   r e pe a te d  a c r o s s   s u c c e s s iv e   la y e r s   to   pr ogr e s s iv e ly   e xt r a c t  hi ghe r - or de r   s pa ti a l  a nd  s e m a nt ic   f e a tu r e s   f r om   in put   im a ge s .  T h e   e xt r a c te d   f e a tu r e   m a ps   a r e   th e n   f la tt e ne d  a nd  f e d  in to   f ul ly   c onne c te d ( de ns e )  l a y e r s , a ugm e nt e d w it h a ddi ti ona l  a c ti va ti ons , t o pe r f or m  c la s s if ic a ti on or  r e gr e s s io n t a s k s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I nt  J  A dv A ppl  S c i     I S S N :   2252 - 8814       A ut onomous  nav ig at io n s y s te m  f o r  a r ov e r  w it h r obot ic  a r m  us i ng c onv ol ut io nal  ne ur al   …  ( A z iz  E l  M r abe t)   731       F ig ur e  7. T he  s e que nt ia l  s te ps  i nvol ve d i n a   C N N       A   ha ll m a r k  of   C N N s   is   th e ir   a bi li ty   to   s ys te m a ti c a ll y  r e duc e   s pa ti a l  r e s ol ut io n  w hi le   in c r e a s in g   c ha nne l  de pt h  ( C N N )   a s   th e   ne twor k  de e pe n s ,  ba la nc in g  c o m put a ti ona l  e f f ic ie nc y  w it h  r e pr e s e nt a ti ona l  c a pa c it y.  T hi s   th r e e - di m e ns io n a l  tr a ns f or m a ti on   f r om   r a w   pi xe l  da ta   to   a bs tr a c t  f e a tu r e   hi e r a r c hi e s   is   vi s ua li z e d i n F ig ur e  8 . T hi s  f ig ur e   il lu s tr a t es   th e   a r c hi te c tu r a l  e vol ut io n of  t e ns or s  a c r os s  l a ye r s .           F ig ur e  8. S tr uc tu r e  of  a   C N N       3. 1 . 4 .  R e s N e t   R e s N e t s   e nh a nc e   tr a di ti ona l  C N N   a r c hi te c tu r e s   by   in te gr a ti ng  s ki p  c onne c ti ons   t ha t   bypa s s   in te r m e di a te   la ye r s ,   a s   s how n   in   F ig ur e   9 .  T he s e   c onne c ti ons   m it ig a te   pe r f or m a nc e   de gr a da ti on  in   v e r y  de e p   ne twor ks   by  e na bl in g  th e   pr opa ga ti on  of   una lt e r e d  gr a di e nt s   a nd  f e a tu r e s .  W it hout   s ki p  c onne c ti ons ,  th e   be ha vi or  of  a  r e s id ua l  bl oc k i s  gove r ne d by s t a nda r d l in e a r  a nd  nonl in e a r  t r a ns f or m a ti ons   a s  i n ( 8)  a nd ( 9) .     [ ] = ∑ , [ ] [ − 1 ] + [ ] − 1 = 1   ( 8)     ⟶ [ ] = [ ] ( [ ] )   ( 9)     B y  in it ia li z in g  w e ig ht s   [ ]   a nd  bi a s e s   [ ]   to   z e r o  a nd  s e le c ti ng  a n   id e nt it y  a c ti va ti on   [ ] ,  th e   r e s id ua l  bl oc k  s im pl if ie s   to   [ ] = [ − 2 ] ,  pr e s e r vi ng  ne twor k  pe r f or m a nc e   e ve n  if   a dd e d  la ye r s   c ont r ib ut e   m in im a ll y.  T o  e ns ur e   di m e ns io na l   c om pa ti bi li ty   be twe e n   [ − 2 ] ,  a nd   [ ] ,  s a m e   c onvolut io ns   ( m a tc hi ng  s pa ti a l  di m e ns io n s )   a r e   ty pi c a ll y  a ppl ie d.  W he n  m is m a t c he s   o c c ur ,  a   le a r na bl e   pr oj e c ti on  te n s or     a dj us ts   th e  s ki p c onne c ti on :     ⟶ [ ] = [ ] ( [ ] + [ − 2 ] )   ( 10)     w he r e     m ig ht  be  a  f ix e d t e ns or  or  a  l e a r ne d one , a nd  d im ( ) = [ [ ] , [ − 2 ] ] .   I nc e pt io n  ne twor ks   in tr oduc e   a   pa r a di gm   s hi f t   by  de pl oyi ng  m odul e s   th a t  pe r f o r m   m u lt ip le   ope r a ti ons   in   pa r a ll e l  w it hi n  a   s in gl e   l a ye r ,  a s   s how n   in   F ig ur e   10.  S pe c if ic a ll y,  e a c h   I nc e pt io n  m odul e   a ppl ie s   c onvolut io na l,   pool in g,  a nd  f ul ly   c onne c t e d  ope r a ti o ns   s im ul ta ne ou s ly ,  a ll ow in g  th e   ne twor k  to   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I S S N :   2252 - 8814   I nt  J  A dv A ppl  S c i ,  V ol .  14 , N o.  3 ,  S e pt e m be r   20 25 :  724 - 739   732   c a pt ur e   f e a tu r e s   a t  va r io us   s p a ti a l  s c a le s .   T hi s   a r c hi te c tu r e   e li m in a te s   th e   ne e d   f or   m a nua l  s e le c ti on  of   l a ye r   ty pe s  a nd e nha n c e s  m ode l  e f f ic ie nc y  a nd r e pr e s e nt a ti ona l  r ic hn e s s .           F ig ur e  9. F e e df or w a r d ne ur a l  ne twor k a r c hi te c tu r e           F ig ur e  10. T he  r e s ul t  of  a ll  t he  ope r a ti ons       3.2.   R ob ot  m od u le   3.2.1.  R ob ot   M e c an u m   W he e le d  m obi le   r obot s   r e s e m bl in g  m a c hi ne s   a r e   be c om in g  i nc r e a s in gl y  pr e va le nt   a nd  a r e   w id e ly   ut il iz e d  in   in dus tr ia l  s e tt in gs   f o r   a ut om a te d  t r a ns por ta ti on  or   l ogi s ti c a l  pur pos e s ,  s uc h  a s   th e   c onve ya n c e   of   goods ,  pa r ts ,  a nd  e v e n  pe opl e .   W he n   de a li ng  w it h  e xpe ns iv e   a nd  s e n s it iv e   lo a d s ,  th e   m obi le   r obot   m us t  b e   r e li a bl e   a nd  s a f e   w hi le   pr ovi di ng   e f f ic ie nt   m ove m e nt .   A   m a c hi ne   e qui ppe d  w it h  w he e ls   c a n  m a ne uve r   a r ound,  le a di ng  to   m or e   e f f ic ie nt   us a ge .  A   m obi le   r obot   c a pa bl e   of   s e r vi ng  m ul ti pl e   s ta ti on s   w it hi n  a   pr oduc ti on l in e  c a n e nha nc e  pr oduc t  c a p a c it y a nd qua li ty   [ 18] , [ 19] .   I n  th is   r e s e a r c h,  a n  om ni di r e c ti ona l  r obot   is   e m pl oye d,  w hi c h  ha s   th e   a bi li ty   to   m ove   in   a ny  di r e c ti on.  I t  is   a   hol onomi c   r obo t  w it h  f ou r   s pe c ia li z e d  w he e ls ,  na m e ly   th e   M e c a num   w he e l  s ys te m ,  e a c h  dr iv e n  by  a   s e p a r a te   s te pp e r   m ot or .  F or   s uc h  a   r obot ,  th e   num b e r   of   c ont r ol le d  de gr e e s   of   f r e e dom   is   e qua l  to   th e   to ta l  num be r   of   de gr e e s   of   f r e e dom   of   th e   r obot   [ 20] ,  [ 21] .  I t  c a n  m ove   in   a ny  di r e c ti on  on  a   pl a na r   s ur f a c e   due   to   it s   f r e e ly   r ot a ti ng  r ol le r s   pl a c e d  on  th e   w he e l  s ur f a c e   a t  a   45 - de gr e e   a ngl e .  F ig ur e   11  de pi c ts   a   m obi le  r obot  m ode l  w it h a   M e c a num   w he e l,  w it h a  c oor di na te  s ys te m  a tt a c he d  a t  th e  c e nt e r  of  t he  w he e l  hub,  w he r e   th e   uni t  a xi s   is   d e not e d.  T h e   r obot ' s   pos it io n  a nd  or ie nt a ti on  a r e   r e pr e s e nt e d  a s .  T h e   r obot ' s   li ne a r   ve lo c it y  is   a nd  it s   a ngul a r   ve lo c it y  is ,  w hi le   is   th e   a ngul a r   ve lo c it y  of   th e   i - th   w he e l  a nd  r e pr e s e nt s   th e   li ne a r   w he e l  ve lo c it y. T he  a ngl e  be twe e n t he  f r e e - s li di ng r ol le r  a xi s  a nd t he  w he e l  hub a xi s  c a n be  e it he r  pos it iv e  o r   ne ga ti ve , de pe ndi ng on whe th e r  t he  w h e e l  is  l e f t  or  r ig ht   [ 22] – [ 24] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I nt  J  A dv A ppl  S c i     I S S N :   2252 - 8814       A ut onomous  nav ig at io n s y s te m  f o r  a r ov e r  w it h r obot ic  a r m  us i ng c onv ol ut io nal  ne ur al   …  ( A z iz  E l  M r abe t)   733       F ig ur e  11. T he  di r e c ti on of  m obi le  r obot  m ot io n i s  ba s e d on  th e   M e c a num 's   v a r io us  ve lo c it ie s  of  t he  w he e ls       T he   di r e c ti on  of   th e   m obi le   r obot ' s   m ot io n  ba s e d  on  th e   M e c a num   w he e l  m ot io n  is   s how n  in     F ig ur e   11.  T he   f ol lo w in g  f or w a r d  ki ne m a ti c   e qu a ti on  de s c r ib e s   th e   r e la ti on s hi p  be tw e e n  th e   m obi le   r obot ' s   ve lo c it y a nd t he  ve lo c it y of  e a c h w he e l   a s  i n ( 12) .     [   ] = 1 4 [       1 1 1 1 − 1 1 − 1 1 1 1 1 1 − 1 + 1 + 1 + − 1 + ]       [ 1 2 3 4 ]   ( 12)     W he r e     is  t he  r a di us  of   th e   M e c a num   w he e l ,   a nd a  a nd b de s c r i be  t he  l e ngt h a nd w id th  of  t he  m obi le  r obot .     3.2.2.  K U K A   ar m  c on t r ol   D e na vi t - H a r te nbe r g  ( D H )   pa r a m e te r s   a r e   a   c om m onl y  us e d  m e th od  f or   de s c r ib in g  th e   ki ne m a ti c s   of   m a ni pul a to r   a r m s   in   r obot s   [ 25] ,  [ 26] .  T he y  pr ovi de   a   s ys t e m a ti c   w a y   of   r e pr e s e nt in g  th e   r e la ti ons hi p s   be twe e n  th e   va r io us   li nk s   of   a n   a r ti c ul a te d  m a ni pul a to r   a r m .  T he   D H   p a r a m e te r   m e th od  r e li e s   on  f our   m a in   pa r a m e te r s   f or   e a c h  jo in t  of   a   m a ni pul a to r   a r m :  th e   a ngl e   of   r ot a ti on  a bout   th e   c om m on  z - a xi s   ( ) ,  th e   li nk   le ngt h  ( ) ,  th e   di s ta nc e   a lo ng  th e   x - a xi s   be twe e n  th e   c om m on  z - a xe s   ( ) ,  a nd  th e   a ngl e   of   in c li na ti on  to   th e   c om m on x - a xi s  ( ) . T he  homoge ne ous  t r a ns f or m a ti on ma tr ix  D H  pa r a m e te r s  f or  t he  K U K A   a r m   a r e  obt a in e d  a c c or di ng t o t hi s  a ppr oa c h by the  f ol lo w in g r e la ti ons hi p a nd T a bl e  1.   F ig ur e  12 s how s  t he  K U K A   a r m  r obot .     =       ( 13)     = [         0 0 − 0 − 0 1   ]         ( 14)       T a bl e  1. D H  pa r a m e t e r s  f or  t he  K U K A   a r m   J oi nt  i   θ ( )   (  )     ( d e g )   1   1     889   0   90   2   2     0   2340   0   3   3     0   0   90   4   4   1440   0   - 90   5   5   40   0   - 90       T he   r obot   m ode l  w a s   im por te d  f r om   S ol id W or ks   us in g  a n   X M L   f il e   a nd  th e n   in te gr a te d  in to   M A T L A B /S im ul in k.  S pe c if ic a ll y,  w e   us e d   th e   “ s m im por t”   c om m a nd,  w hi c h  i s   pa r t  of   th e   S im s c a pe   M ul ti body  to ol box,  to   c onve r t  th e   X M L   f il e   in to   a   S im ul in k  m ode l  c ont a in in g  th e   3D   m e c ha ni c a l  c om pone nt s . A f te r  i m por t,  i nput s  w e r e  c onf ig ur e d t o c ont r ol  e a c h j oi nt  a ngl e , a nd output s  w e r e  s e t  to  r e a d t he   m e a s ur e d  va lu e s .  T o  a c hi e ve   pr e c is e   m ot io n  c ont r ol ,  w e   im pl e m e nt e d  a   f e e dba c k  lo op  us in g  a   pr opor ti ona l - in te gr a l - de r iv a ti ve   ( P I D )   c ont r ol le r   to   m in im iz e   de vi a ti ons   be twe e n  th e   c om m a nd e d  a nd  m e a s ur e d  jo in t   a ngl e s .  E a c h  jo in t  in   th e   m ode l  is   th e r e f or e   a s s oc i a te d  w it h  bot h  a   c ont r ol   in put   a nd  a   c or r e s ponding  m e a s ur e m e nt  out put .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.