Please use this identifier to cite or link to this item: https://hdl.handle.net/10216/78472
Author(s): Carlos Miguel Correia da Costa
Title: Robot self-localization in dynamic environments
Issue Date: 2015-02-25
Abstract: Mobile robot platforms capable of operating safely and accurately in dynamic environments can have a multitude of applications, ranging from simple delivery tasks to advanced assembly operations. These abilities rely heavily on a robust navigation stack, which requires a stable and accurate localization system. This dissertation describes an efficient, modular, extensible and easy to configure 3/6 DoF localization system, capable of operating on a wide range of mobile robot platforms and environments. It is able to reliably estimate the global position using feature matching and is capable of achieving high accuracy pose tracking using point cloud registration algorithms. It can use several point cloud sensing devices (such as LIDARs or RGB-D cameras) and requires no artificial landmarks. Moreover, it can update the localization map at runtime and dynamically adjust its operation rate based on the predicted robot velocity in order to use the minimum amount of hardware resources. It also offers a detailed analysis of each pose estimation, providing information about the percentage of registered inliers, the root mean square error of the inliers, the angular distribution of the inliers and outliers, the pose corrections that were performed in relation to the expected position and in case of initial pose estimation it also gives the distribution of the acceptable initial poses, which can be very valuable information for a navigation supervisor when the robot is in ambiguous areas that are very similar in different parts of the known environment. The ROS implementation was tested in several dynamic indoor environments using two mobile robot platforms equipped with LIDARs and RGB-D cameras. Overall tests using sensor data from simulation and retrieved from the robot platforms performed in a high end laptop with an Intel Core i7 3630QM processor, 16GB DDR3 of memory and NVIDIA GTX680M graphics card, demonstrated high accuracy in complex dynamic environments, with less than 1 cm in translation error and less than 1 degree in rotation error. Execution times ranged from 5 to 30 milliseconds in a 3 DoF setup and from 50 to 150 milliseconds in a full dynamic 6 DoF configuration. The sub centimeter accuracy achieved by the proposed localization system along with the dynamic map update capability and the need of no artificial landmarks will allow the fast deployment of mobile robot platforms capable of operating safely and accurately in cluttered environments. Moreover, the resilience to dynamic objects will grant the possibility to use robots as coworkers, helping humans perform their work more efficiently and thus reducing the overall production costs.
Description: Plataformas móveis robóticas capazes de operar com precisão e de forma segura em ambientes dinâmicos têm um alargado espetro de aplicações, desde simples entregas de objetos até operações complexas de montagem. Para atingir estes requisitos de operação é necessário um sistema de navegação robusto, que por sua vez requer um módulo de localização preciso e estável. Esta dissertação descreve um sistema de localização 3/6 DoF eficiente, modular, extensível e fácil de configurar, capaz de operar num alargado conjunto de plataformas móveis e ambientes. É capaz de estimar a posição inicial de um robô usando métodos de associação de características geométricas e consegue seguir a sua pose com alta precisão através de algoritmos de registo de nuvens de pontos. A sua implementação consegue tirar partido de vários sensores laser e câmaras RGB-D e não necessita de marcadores artificiais ou modificação do ambiente. Possui ainda a capacidade de atualizar o mapa incrementalmente e ajustar a sua frequência de funcionamento de acordo com a velocidade do robô de forma a usar o mínimo de recursos computacionais possível. Para facilitar a avaliação da qualidade da localização para operações críticas, cada estimativa da pose do robô é acompanhada com a análise do registo da nuvem de pontos, contendo informação acerca da percentagem de pontos corretamente registados, a raiz quadrada do erro quadrático médio, a distribuição angular dos pontos classificados como pertencentes e não pertencentes ao mapa de referência, as correções aplicadas à estimativa da pose e no caso de ser efetuada localização global também é disponibilizada a distribuição das poses iniciais aceitáveis, o que pode ser informação bastante útil para um supervisor de navegação quando o robô está em posições ambíguas do ambiente nas quais existe geometria semelhante em sítios diferentes do mapa. A implementação em ROS foi testada em vários ambientes dinâmicos recorrendo a duas plataformas móveis equipadas com LIDARs e câmaras RGB-D. Os resultados obtidos usando dados de simulação e recolhidos das plataformas robóticas realizados num portátil com CPU Intel Core i7 3630QM, 16GB DDR3 de memória e placa gráfica NVIDIA GTX680M demonstraram que o sistema consegue fazer a estimativa da pose do robô com um erro de translação inferior a 1 centímetro e um erro de rotação abaixo de 1 grau. Os tempos de execução oscilaram entre 5 e 30 milissegundos para uma configuração 3 DoF e entre 50 e 150 milissegundos para 6 DoF. A alta precisão disponibilizada pelo sistema de localização proposto em conjunto com a sua capacidade para atualizar o mapa incrementalmente e de não necessitar marcadores artificiais, irá permitir o desenvolvimento de plataformas robóticas móveis capazes de operar em ambientes não estruturados. Por outro lado, a sua robustez em relação a objetos dinâmicos abre a possibilidade dos robôs colaborarem com humanos para melhorar a produtividade global de uma dada tarefa e assim reduzir os custos de produção.
Subject: Engenharia electrotécnica, electrónica e informática
Electrical engineering, Electronic engineering, Information engineering
Scientific areas: Ciências da engenharia e tecnologias::Engenharia electrotécnica, electrónica e informática
Engineering and technology::Electrical engineering, Electronic engineering, Information engineering
TID identifier: 201299127
URI: https://repositorio-aberto.up.pt/handle/10216/78472
Document Type: Dissertação
Rights: openAccess
License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
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