Συμβολή Στην Ανάπτυξη Μεθόδου Υβριδικής (τοπολογικής / Μετρικής) Χαρτογράφησης Και Ταυτόχρονου Εντοπισμού Θέσης Κινητού Ρομπότ Με Χρήση Οπτικής Πληροφορίας

Abstract

Ο σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας ήταν η ανάπτυξη και η επέκταση μιας μεθοδολογίας για την επίλυση του προβλήματος της Ταυτόχρονης Εκτίμησης Θέσης και Χαρτογράφησης (SLAM - Simultaneous Localization and Mapping) σε ένα αυτόνομο, κινούμενο ρομποτικό όχημα. Η τεχνική που αναπτύχθηκε στηρίζεται σε συνδυασμό αφενός της μετρικής πληροφορίας από τους κωδικοποιητές στους τροχούς του ρομπότ και αφετέρου της οπτικής πληροφορίας, που λαμβάνεται από μια απλή, μονοσκοπική, web κάμερα. Ο συνδυασμός των δύο ειδών πληροφορίας γίνεται με ένα Διακριτό Φίλτρο Bayes. Για την μοντελοποίηση του περιβάλλοντος επελέχθη η μέθοδος του τοπολογικού χάρτη, εμπλουτισμένου με την μετρική πληροφορία που μας ήταν διαθέσιμη.Δεδομένου ότι η μέθοδος αυτή έχει αναπτυχθεί για την επίλυση του SLAM σε περιβάλλοντα εσωτερικά και με έντονη δομή, χρησιμοποιήσαμε κάποιες απλουστευτικές παραδοχές ως προς την κίνηση του ρομπότ ( ακολουθώντας τις παραδοχές μιας προηγούμενης εργασίας που χρησιμοποιούσε οπτική οδομετρία). Η κωδικοποίηση της οπτικής πληροφορίας, έγινε με χρήση των χαρακτηριστικών SURF (Speeded-Up Robust Features). Παράλληλα, χρησιμοποιήσαμε και ιδέες οπτικής κωδικοποίησης από προηγούμενες εργασίες, κυρίως τα ιστογράμματα χρωματικού τόνου και κορεσμού, προκειμένου να κάνουμε σύγκριση της επίδοσής τους. Αναπτύξαμε ένα απλό αλλά αποτελεσματικό μοντέλο παρατήρησης προκειμένου να συγκρίνουμε εικόνες, χρησιμοποιώντας τα χαρακτηριστικά SURF. Επιπρόσθετα, θέλοντας να αξιοποιήσουμε την μετρική πληροφορία, βελτιώσαμε το προηγούμενο μοντέλο κίνησης (βασισμένο σε οπτική οδομετρία), με ένα πιο σύνθετο, το οποίο πλέον λαμβάνει υπ’όψιν την αβεβαιότητα της οδομετρίας του ρομπότ - μια αλλαγή που βελτίωσε πολύ, την συνέργεια των βημάτων πρόβλεψης και παρατήρησης του Διακριτού Φίλτρου Bayes.Διεξήχθη ένα πλήθος πειραμάτων στο εσωτερικό των κτηρίων της Σχολής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών του ΕΜΠ. Τα πειράματα αυτά είχαν τρεις στόχους. Πρώτον, να αναδείξουν το βελτιωμένο μοντέλο παρατήρησης με χρήση των χαρακτηριστικών SURF, σε σχέση με αυτό των ιστογραμμάτων χρωματικού τόνου και κορεσμού. Δεύτερον, να επιβεβαιώσουν την ικανότητα του συστήματός μας να εντοπίζει επιτυχώς την θέση του μέσα στον χώρο, καθώς κατασκευάζει ένα αντιπροσωπευτικό χάρτη αυτού, όπως επίσης και την δυνατότητά του να αναγνωρίζει βρόχους διαφόρων μηκών. Στο σημείο αυτό, μας ενδιέφερε επιπλέον να δείξουμε πώς το νέο βελτιωμένο μοντέλο κίνησης και η αξιοποίηση της μετρικής πληροφορίας, μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την επίδοση του αλγορίθμου. Τέλος, στόχος μας ήταν να εντοπίσουμε τις αδυναμίες του αλγορίθμου.Η μεθοδολογία αυτή μπορεί να γίνει οδηγός για την υλοποίηση ενός εύρωστου συστήματος Ταυτόχρονης Εκτίμησης Θέσης και Χαρτογράφησης, βασισμένου σε μετρική πληροφορία από κατάλληλους αισθητήρες (πχ. Κωδικοποιητές τροχών) πάνω στο ρομπότ και σε οπτική πληροφορία από κάμερες, κατάλληλου για εφαρμογές σε δομημένα περιβάλλοντα. Πιστεύουμε ότι η μεθοδολογία αυτή μπορεί εύκολα να βελτιωθεί και να επεκταθεί, καθώς είναι δομημένη σε ανεξάρτητα τμήματα.