Efficient localization and mapping for robotics : algorithms and tools - Pedrosa, Eurico Farinha (2018)
Um dos problemas fundamentais em robótica é a capacidade de estimar a pose de um robô móvel relativamente ao seu ambiente. Este problema é conhecido como localização robótica e a sua exatidão e eficiência têm um impacto direto em todos os sistemas que dependem da localização. Nesta tese, abordamos o problema da localização propondo um algoritmo baseado em scan matching com otimização robusta de mínimos quadrados não lineares em manifold com a utilização de um campo de verosimilhança contínuo como modelo de perceção. Esta solução oferece uma melhoria percetível na eficiência computacional sem perda de exatidão. Associado à localização está o problema de criar uma representação geométrica (ou mapa) do meio ambiente recorrendo às medidas disponíveis, um problema conhecido como mapeamento. No mapeamento a representação geométrica mais popular é a grelha volumétrica que discretiza o espaço em volumes cúbicos de igual tamanho. A implementação direta de uma grelha volumétrica oferece acesso direto e rápido aos dados mas requer uma quantidade substancial de memória. Portanto, propõe-se uma estrutura de dados híbrida, com divisão esparsa do espaço combinada com uma subdivisão densa do espaço que oferece tempos de acesso eficientes com alocações de memória reduzidas. Além disso, também oferece um mecanismo integrado de compressão de dados para reduzir ainda mais o uso de memória e uma estrutura de partilha de dados implícita que duplica dados, de forma eficiente, quando necessário recorrendo a uma estratégia copy-on-write. A implementação da solução descrita é disponibilizada na forma de uma biblioteca de software que oferece um framework para a criação de modelos baseados em grelhas volumétricas, e.g. grelhas de ocupação. Como existe uma separação entre o modelo e a gestão de espaço, todas as funcionalidades da abordagem esparsa-densa estão disponíveis para qualquer modelo implementado com o framework. O processo de mapeamento é um problema complexo considerando que localização e mapeamento são resolvidos simultaneamente. Este problema, conhecido como localização e mapeamento simultâneo (SLAM), tem tendência a de consumir recursos consideráveis à medida que a exigência na qualidade do mapeamento aumenta. De modo a contribuir para o aumento da eficiência, esta tese apresenta duas solução de SLAM. Na primeira abordagem, o algoritmo de localização é adaptado ao mapeamento incremental que, em combinação com o framework esparso-denso, oferece uma solução de SLAM online computacionalmente eficiente. O resultados obtidos são comparados com outras soluções disponíveis na literatura recorrendo a um benchmark de SLAM. Os resultados obtidos demonstram que a nossa solução oferece uma boa eficiência sem comprometer a exatidão. A segunda abordagem combina o nosso SLAM online com um filtro de partículas Rao-Blackwellized para propor uma solução de full SLAM com um grau elevado de eficiência computacional. A solução inclui propostas de distribuição melhorada com refinamento de pose através de scan matching, re-amostragem adaptativa com pesos de amostragem suavizados, partilha eficiente de dados entre partículas da mesma geração e suporte para multi-threading.