Εντοπισμός Θέσης Αυτόνομα Κινούμενου Ρομπότ Σε Πραγματικό Χρόνο Με Φίλτρα Σωματιδίων

Abstract

Στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας ασχοληθήκαμε με το πρόβλημα καθολικού εντοπισμού θέσης (global localization) ενός αυτόνομα κινούμενου ρομπότ με χρήση τεχνικών φίλτρων σωματιδίων (particle filters). Το πρόβλημα αφορά στον προσδιορισμό της θέσης του ρομπότ καθώς αυτό κινείται σε γνωστό περιβάλλον όταν όμως δεν είναι γνωστή η αρχική του θέση. Ο εντοπισμός θέσης ενός κινούμενου ρομπότ, που είναι ένα από τα κύρια προβλήματα που πρέπει να λυθούν ώστε να μπορεί το κινούμενο ρομπότ να πλοηγηθεί και να εξερευνήσει αυτόνομα ένα τυπικό εσωτερικό χώρο, περιλαμβάνει την εκτίμηση θέσης (θέση σε δισδιάστατο χώρο και προσανατολισμός) του ρομπότ σύμφωνα με τις μετρήσεις των αισθητήρων του και του γνωστού χάρτη του περιβάλλοντος. Στο πρόβλημα καθολικού εντοπισμού θέσης, η αρχική θέση του ρομπότ δεν είναι γνωστή και θα καθοριστεί από το μηδέν μετά από μια σειρά κινήσεων. Τα τελευταία χρόνια, τεχνικές βασισμένες σε φίλτρα σωματιδίων έχουν χρησιμοποιηθεί με μεγάλη επιτυχία σε πολλούς τομείς, ιδιαίτερα στον καθολικό εντοπισμό θέσης κινούμενων ρομπότ. Τα φίλτρα σωματιδίων επιτυγχάνουν το στόχο αυτό χρησιμοποιώντας ανακριβή (στοχαστικά, μη Γκαουσσιανά) μοντέλα για τους μηχανισμούς κίνησης και τους αισθητήρες του ρομπότ, αναπαριστώντας την τρέχουσα κατανομή πιθανότητας κατάστασης προσεγγιστικά με κάποια τυχαία δείγματα στο χώρο κατάστασης.Μετά από μία σύντομη ανασκόπηση των βασικών εννοιών και μεθόδων που σχετίζονται με τον εντοπισμό θέσης αυτόνομα κινούμενων ρομπότ και των προτάσεων της σύγχρονης βιβλιογραφίας για την αποδοτική και όσο το δυνατόν πιο ακριβή επίλυση του προβλήματος, προτείνεται μια μέθοδος αλγοριθμικής υλοποίησης. Η μέθοδος αυτή μειώνει το υπολογιστικό κόστος ενώ στοχεύει σε ικανοποιητική ακρίβεια. Στη συνέχεια η μέθοδος αυτή υλοποιήθηκε σε επίπεδο προσομοίωσης, με τη χρήση του πακέτου λογισμικού προσομοίωσης κινούμενων ρομπότ Webots. Η τροποποιημένη μέθοδος που προτείνεται χρησιμοποιεί ένα μικρό αριθμό particles τα οποία έχουν μεγάλη κινητικότητα ώστε να εντοπίζουν τη θέση του ρομπότ. Η κινητικότητα των particles σταδιακά φθίνει για να εξισωθεί το εκτιμούμενο στοχαστικό σφάλμα οδομετρίας του ρομπότ με αυτό στο πιθανοτικό μοντέλο κίνησης των particles. Παρουσιάζεται συγκριτική μελέτη του απλού φίλτρο σωματιδίων και της προτεινόμενης προσαρμοστικής μεθόδου, για διαφορετικές τιμές των παραμέτρων προσαρμογής. Τα αποτελέσματα προσομοίωσης δείχνουν τα συγκριτικά πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα κάθε μοντέλου εκτίμησης εφαρμοζόμενου στον καθολικό εντοπισμό θέσης του ρομπότ, και καταδεικνύουν μελλοντικές ερευνητικές κατευθύνσεις.