Luận án tiến sĩ: Semantic mapping using mobile robots

Luận án tiến sĩ tập trung phát triển lập bản đồ ngữ nghĩa cho robot di động. Nghiên cứu đề xuất phương pháp mới nâng cao độ chính xác và hiệu quả.

Trường ĐH

University of Southern California

Chuyên ngành
Computer Science
Tác giả

Luan An

Thể loại

Luận án tiến sĩ

Năm xuất bản

Số trang

150

Thời gian đọc

23 phút

Lượt xem

0

Lượt tải

0

Phí lưu trữ

40 Point

Tóm tắt nội dung

I. Thách thức lập bản đồ robot và giải pháp cơ bản

Phần này giới thiệu các thách thức nền tảng trong lập bản đồ robot. Robot di động cần các mô hình môi trường chính xác. Các mô hình này hỗ trợ điều hướng và thực hiện nhiệm vụ. Lập bản đồ phức tạp do nhiễu cảm biến và bất định vị trí robot. Các giải pháp được phát triển để xử lý cả môi trường tĩnh và động. Công trình này đặt nền móng cho việc hiểu và giải quyết những vấn đề cốt lõi này, cung cấp một cái nhìn tổng quan về bối cảnh lập bản đồ robot hiện đại và các phương pháp cơ bản để xây dựng bản đồ hiệu quả trong các tình huống thực tế. Các phương pháp đã được phát triển để cải thiện độ bền và độ chính xác của quá trình lập bản đồ, đặc biệt nhấn mạnh tầm quan trọng của việc xử lý dữ liệu cảm biến đa dạng.

1.1. Tổng quan lập bản đồ robot

Lập bản đồ robot là quá trình xây dựng bản đồ môi trường. Bản đồ này biểu diễn cấu trúc không gian. Nó giúp robot hiểu vị trí, lập kế hoạch đường đi. Các thách thức chính bao gồm lỗi cảm biến, không chắc chắn về vị trí robot. Môi trường phức tạp đòi hỏi bản đồ chính xác cao. Bản đồ lưới chiếm dụng (occupancy grid maps) là dạng phổ biến. Bản đồ này biểu diễn không gian dưới dạng lưới các ô. Mỗi ô chứa xác suất chiếm dụng. Các phương pháp ban đầu tập trung vào độ chính xác hình học, là cơ sở cho các tiến bộ sau này trong lập bản đồ ngữ nghĩa.

1.2. Giải pháp SLAM môi trường tĩnh

Giải pháp Đồng thời định vị và lập bản đồ (SLAM) được phát triển. SLAM cho phép robot xây dựng bản đồ đồng thời xác định vị trí của mình. Trong môi trường tĩnh, các đối tượng không di chuyển. Bộ lọc Kalman mở rộng (Extended Kalman Filter) là thuật toán SLAM nền tảng. Nó ước tính trạng thái robot và các điểm mốc. Căn chỉnh quét toàn cầu (Global Scan Alignment) cũng cải thiện độ chính xác. Phương pháp này kết hợp nhiều lần quét cảm biến. Mục tiêu là tạo bản đồ nhất quán. Các cải tiến liên tục trong SLAM môi trường tĩnh tạo nền tảng cho việc xử lý các tình huống phức tạp hơn.

1.3. Lập bản đồ không gian động

Môi trường động đặt ra thách thức mới. Các đối tượng di chuyển gây nhiễu loạn bản đồ. Robot cần phân biệt đối tượng tĩnh và động. SLAM với theo dõi đối tượng động (SLAM with DATMO) giải quyết vấn đề này. DATMO nhận dạng và theo dõi các đối tượng chuyển động. Lưới chiếm dụng thời gian (Temporal Occupancy Grids) lưu trữ thông tin về sự thay đổi. Chúng giúp phân tích hành vi đối tượng. Công trình này khám phá các phương pháp mới. Chúng tạo bản đồ ngữ nghĩa trong điều kiện động. Hiểu biết về sự tương tác của robot với các đối tượng di động là rất quan trọng cho các ứng dụng thực tế.

II. Lập bản đồ môi trường đô thị ngoài trời hiệu quả

Lập bản đồ môi trường đô thị ngoài trời là nhiệm vụ quan trọng. Nó hỗ trợ robot tự hành và các ứng dụng xe tự lái. Môi trường này thường rộng lớn, phức tạp. Nhiều tòa nhà, đường phố và yếu tố tự nhiên tồn tại. Độ chính xác định vị là yếu tố then chốt. Dữ liệu cảm biến phong phú được sử dụng. Chúng bao gồm laser, GPS, và đơn vị đo lường quán tính (IMU). Việc tích hợp các nguồn dữ liệu khác nhau là cần thiết để xây dựng các mô hình môi trường đáng tin cậy. Các phương pháp xử lý dữ liệu được thiết kế để vượt qua những hạn chế của từng cảm biến riêng lẻ.

2.1. Định vị chính xác qua GPS và bản đồ

Định vị dựa trên GPS là phương pháp chính. Nó cung cấp ước tính vị trí ban đầu. Tuy nhiên, tín hiệu GPS có thể bị nhiễu. Đặc biệt trong các khu vực đô thị có nhiều tòa nhà cao. Các phương pháp định vị dựa trên bản đồ tiên nghiệm (prior map-based localization) cải thiện độ chính xác. Chúng sử dụng bản đồ hiện có để hiệu chỉnh vị trí. Bộ lọc hạt (particle filters) kết hợp dữ liệu GPS và cảm biến laser. Chúng tạo ra ước tính quỹ đạo robot đáng tin cậy. Sự kết hợp này mang lại độ chính xác cao hơn so với chỉ sử dụng một loại cảm biến.

2.2. Kỹ thuật lập bản đồ đám mây điểm

Lập bản đồ đám mây điểm (point cloud mapping) tạo mô hình 3D chi tiết. Robot thu thập dữ liệu bằng máy quét laser. Các điểm 3D đại diện cho bề mặt môi trường. Kỹ thuật này tái tạo hình dạng các tòa nhà và cấu trúc khác. Kết quả lập bản đồ đám mây điểm cho thấy cấu trúc môi trường rõ ràng. Nó cung cấp thông tin hình học phong phú. Các mô hình 3D có thể được xây dựng. Chúng biểu diễn các khu vực đô thị phức tạp. Việc thu thập và xử lý hiệu quả đám mây điểm là nền tảng cho việc tạo bản đồ chi tiết.

2.3. Biểu diễn hình học xây dựng

Biểu diễn hình học của các tòa nhà là cần thiết. Nó hỗ trợ robot tương tác với môi trường. Phương pháp này chuyển đổi đám mây điểm thành các mặt phẳng. Các mặt phẳng đại diện cho tường, mái nhà. Lập bản đồ mặt phẳng (planar mapping) đơn giản hóa mô hình 3D. Nó giữ lại các thông tin cấu trúc quan trọng. Dữ liệu từ các môi trường tự nhiên cũng được lập bản đồ. Hệ thống đo lường quán tính tự nhiên (NIMS) hỗ trợ việc này. Các bản đồ này cung cấp cơ sở cho nhận dạng ngữ nghĩa. Việc đơn giản hóa mô hình 3D giúp cải thiện hiệu suất tính toán và lưu trữ.

III. Phân loại ngữ nghĩa bản đồ dùng mô hình Markov ẩn

Lập bản đồ ngữ nghĩa là một bước tiến quan trọng. Nó vượt ra ngoài việc lập bản đồ hình học đơn thuần. Robot không chỉ biết 'ở đâu' mà còn 'là gì'. Các phương pháp học máy hỗ trợ quá trình này. Mô hình Markov ẩn (Hidden Markov Models - HMMs) là một công cụ mạnh mẽ. Chúng cho phép phân loại các vùng trong môi trường. Phân loại này dựa trên đặc điểm quan sát và trạng thái ẩn. HMMs cung cấp một khung linh hoạt để xử lý dữ liệu chuỗi, rất phù hợp cho việc diễn giải các đặc điểm môi trường theo thời gian hoặc không gian.

3.1. Giới thiệu mô hình Markov ẩn

Mô hình Markov ẩn (HMM) là một khung toán học. Chúng mô tả các hệ thống có trạng thái ẩn không thể quan sát trực tiếp. Tuy nhiên, đầu ra liên quan đến các trạng thái đó lại quan sát được. HMMs được sử dụng để mô hình hóa chuỗi dữ liệu. Ví dụ bao gồm nhận dạng giọng nói hoặc phân loại chuỗi. Trong lập bản đồ ngữ nghĩa, các trạng thái ẩn có thể là loại địa hình. Quan sát là dữ liệu cảm biến thu thập được. Hiểu rõ cấu trúc của HMM là chìa khóa để áp dụng chúng vào các vấn đề phân loại môi trường.

3.2. Phân loại địa hình ngữ nghĩa

Ứng dụng HMM vào phân loại địa hình ngữ nghĩa rất hiệu quả. Robot thu thập dữ liệu cảm biến. Dữ liệu này bao gồm thông tin về màu sắc, kết cấu, độ cao. HMMs xử lý chuỗi dữ liệu này. Chúng gán nhãn ngữ nghĩa cho các khu vực. Ví dụ: 'đường đi bộ', 'bãi cỏ', 'cây cối'. Các thử nghiệm cho thấy HMMs có khả năng phân loại tốt. Bảng kết quả HMM cho phân loại địa hình minh chứng điều này. Khả năng này rất quan trọng để robot có thể hiểu và tương tác thông minh với các bề mặt khác nhau.

3.3. Lập bản đồ ngữ nghĩa dựa trên hoạt động

Lập bản đồ ngữ nghĩa còn mở rộng đến các hoạt động. HMMs cũng có thể phân loại không gian dựa trên các hoạt động diễn ra. Ví dụ, một khu vực có thể được gán nhãn 'khu vực ăn uống'. Điều này dựa trên sự hiện diện của bàn ghế hoặc mô hình chuyển động. Các hoạt động cụ thể có thể được liên kết với các loại không gian. Phân loại dựa trên hoạt động cung cấp thông tin ngữ nghĩa phong phú hơn. Nó giúp robot hiểu mục đích của các khu vực. Bảng kết quả HMM cho phân loại ngữ nghĩa dựa trên hoạt động chứng minh khả năng này. Việc hiểu hoạt động môi trường tăng cường khả năng tự chủ của robot.

IV. Lập bản đồ ngữ nghĩa với máy vector hỗ trợ SVM

Máy vector hỗ trợ (Support Vector Machines - SVMs) là một thuật toán học máy mạnh mẽ. Chúng được áp dụng rộng rãi trong phân loại và hồi quy. Trong lĩnh vực lập bản đồ ngữ nghĩa, SVMs cung cấp giải pháp thay thế hiệu quả. Chúng phân loại các thuộc tính không gian. SVMs tìm ra siêu phẳng phân tách tối ưu giữa các lớp dữ liệu. Công trình này khám phá khả năng của SVM trong việc gán ý nghĩa ngữ nghĩa. Việc sử dụng SVMs mang lại độ bền và khả năng tổng quát hóa cao, đặc biệt hữu ích trong việc xử lý các tập dữ liệu phức tạp với nhiều chiều thuộc tính khác nhau.

4.1. Nguyên lý máy vector hỗ trợ

SVM hoạt động bằng cách tìm siêu phẳng tối ưu. Siêu phẳng này phân chia các điểm dữ liệu thành các lớp. Mục tiêu là tối đa hóa biên độ phân tách. Các điểm dữ liệu gần siêu phẳng nhất được gọi là vector hỗ trợ. Trường hợp phi tuyến tính (non-linear case) được xử lý. Các hàm kernel được sử dụng. Chúng ánh xạ dữ liệu vào không gian chiều cao hơn. Điều này cho phép phân tách các tập dữ liệu phức tạp. SVMs cung cấp khả năng tổng quát hóa tốt. Hiểu biết về các hàm kernel là rất quan trọng để áp dụng SVM một cách hiệu quả.

4.2. Ứng dụng SVM phân loại ngữ nghĩa

SVM được áp dụng cho phân loại ngữ nghĩa của môi trường. Robot thu thập các thuộc tính không gian. Ví dụ bao gồm kích thước trung bình, kết cấu, màu sắc. Các thuộc tính này được đưa vào mô hình SVM. Mô hình này phân loại các khu vực. Ví dụ, phân loại 'khu vực đi bộ' hoặc 'vườn'. Các kết quả cho thấy hiệu quả của SVM. Chúng phân loại các môi trường như lối đi bộ và vườn. Sử dụng một hoặc nhiều thuộc tính không gian đều được đánh giá. Khả năng phân loại chính xác các đặc điểm môi trường là một lợi ích chính của phương pháp này.

4.3. Phân loại đa lớp SVM hiệu quả

Trong nhiều trường hợp, cần phân loại nhiều hơn hai lớp. SVM có thể được mở rộng cho phân loại đa lớp. Các chiến lược như 'một đấu một' (one-vs-one) hoặc 'một đấu phần còn lại' (one-vs-rest) được sử dụng. Phân loại đa lớp SVM cung cấp khả năng gán nhãn chi tiết hơn. Nó phân loại chính xác các loại không gian khác nhau. Các thử nghiệm bao gồm các tập dữ liệu học và tập dữ liệu hoàn chỉnh. Chúng sử dụng các thuộc tính như hoạt động và kích thước trung bình. Kết hợp các thuộc tính khác nhau cũng được đánh giá. Việc loại trừ không gian không sử dụng cũng được xem xét. Điều này tăng cường khả năng ứng dụng của SVM trong các môi trường phức tạp.

V. Xây dựng bản đồ ngữ nghĩa trong môi trường động

Môi trường động đặt ra thách thức lớn cho lập bản đồ robot. Các đối tượng di chuyển liên tục. Điều này đòi hỏi bản đồ phải được cập nhật thường xuyên. Công trình này đề xuất các phương pháp giải quyết vấn đề này. Chúng đảm bảo bản đồ ngữ nghĩa luôn chính xác và hữu ích. Các kỹ thuật này phân biệt giữa các đối tượng tĩnh và động. Việc duy trì bản đồ chính xác trong môi trường thay đổi là yếu tố sống còn đối với sự an toàn và hiệu quả của robot tự hành. Các thuật toán được thiết kế để thích ứng nhanh chóng với thông tin mới.

5.1. Cập nhật bản đồ tĩnh và động

Việc cập nhật bản đồ bao gồm hai khía cạnh chính. Một là cập nhật bản đồ tĩnh (static map update). Bản đồ tĩnh chứa các đối tượng không đổi. Hai là cập nhật bản đồ động (dynamic map update). Bản đồ động theo dõi các đối tượng chuyển động. Mô hình quan sát nghịch đảo (inverse observation model) được sử dụng. Mô hình này phân loại các điểm mốc. Chúng là tĩnh hoặc động. Dữ liệu cảm biến được xử lý. Điều này cho phép robot liên tục điều chỉnh bản đồ. Bản đồ phản ánh trạng thái hiện tại của môi trường. Cơ chế cập nhật hiệu quả đảm bảo tính toàn vẹn của bản đồ theo thời gian.

5.2. Thử nghiệm lập bản đồ thực tế

Các thử nghiệm thực tế được tiến hành. Chúng đánh giá hiệu quả của các phương pháp. Tập hợp thí nghiệm đầu tiên tập trung vào lập bản đồ đơn thuần. Robot di chuyển trong môi trường. Nó thu thập dữ liệu. Bản đồ được xây dựng và cập nhật. Kết quả chứng minh khả năng của hệ thống. Nó xây dựng bản đồ chi tiết và chính xác. Ngay cả trong môi trường có sự thay đổi. Các thử nghiệm này cung cấp bằng chứng thực nghiệm về tính khả thi của các thuật toán đã đề xuất.

5.3. SLAM trong môi trường thay đổi

Tập hợp thí nghiệm thứ hai tập trung vào SLAM. Cụ thể là SLAM trong môi trường động. Robot không chỉ lập bản đồ. Nó còn đồng thời định vị chính xác vị trí của mình. Kết quả thử nghiệm SLAM trong môi trường động được trình bày. Chúng cho thấy hệ thống có thể duy trì độ chính xác cao. Ngay cả khi đối mặt với các đối tượng di chuyển. Điều này là rất quan trọng. Nó giúp robot tự hành hoạt động an toàn và hiệu quả. Khả năng thực hiện SLAM đáng tin cậy trong các kịch bản động là một đóng góp đáng kể của công trình này.

Xem trước tài liệu
Tải đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Luận án tiến sĩ: Semantic mapping using mobile robots

Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung

Tải đầy đủ (150 trang)

Trích đoạn nội dung luận án

Tải xuống để đọc toàn bộ

SEMANTIC MAPPING USING MOBILE ROBOTS by Denis Fernando Wolf A Dissertation Presented to the FACULTY OF THE GRADUATE SCHOOL UNIVERSITY OF SOUTHERN CALIFORNIA In Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree DOCTOR OF PHILOSOPHY (COMPUTER SCIENCE) May 2006 Copyright 2006 Denis Fernando Wolf UMI Number: 3237125 ® UMI UMI Microform 3237125 Copyright 2006 by ProQuest Information and Learning Company. All rights reserved. This microform edition is protected against unauthorized copying under Title 17, United States Code. ProQuest Information and Learning Company 300 North Zeeb Road P.

Box 1346 Ann Arbor, MI 48106-1346 Ackowledgments First of all I would like to thank my adviser Gaurav Sukhatme, whom I had the pleasure and the privilege to work with during the last four years. He was always nothing less than a great person since the first moment I met him. He will serve as a reference in the next steps of my career. Many thanks to all my lab-mates from RESL, for all their invaluable assistance and friendship.

Especially to Boyoon Jung, who was always ready to help with no matter what. I also thank Andrew Howard and Maria Yang for being part of my thesis committee. Warmest thanks to all my friends "perdidos". Their friendship and companion was always very important to me and made my life much more enjoyable during the four years I was in Los Angeles.

I am grateful to my friends Eduardo Marques e Vanderlei Bonato from USP. Even thousand of miles away, they always motivated me to achieve this goal. Finally, I cannot thank enough to my parents Eloi and Rosa, my brother William, and my girlfriend Monique, for all their unconditional love and support. This thesis is dedicated to them.

il Contents Ackowledgments ii List Of Tables vi List Of Figures vii Abstract x 1 Introduction 1 1.1 Challenges in Robotic Mapping .22000 eee ee ee 7 1. ga 11 14 Dissertation Outline .1 Mapping Static Environments .3 Extended Kalman Filter .4 Global Scan Alignment. Mapping Dynamic Environments .1 SLAM with DATMO.24 Temporal Occupancy Grids .3 Mapping Urban Environments.000000 eee eee eee 24 2. gà gà va 26 ill 3 Mapping Urban Outdoor Environments 27 SN" roi.1 GPS-based Localization .2 Prior map-based Localization .2 Point Cloud Mapping .1 Point Cloud MappingResults.2 Geometric Representation of Buildings.3 Planar Mapping Results .4 Natural Environmental Mapping Using NIMS.

50 4 Semantic Mapping Using Hidden Markov Models 52 4.1 Hidden Markov Models.2 Semantic Terrain Mapping.2220-- 60 43 Activity-Based Semantic Mapping. liaa ee ee ee 73 5 Semantic Mapping Using Support Vector Machines 75 5.1 Support Vector Machines .1 The non-linear case.3 Activity-Based Semantic Mapping .4 Multi-class SVM classification. 96 6 Semantic Mapping in Dynamic Environments 99 6. 0220002 eee ee eee 100 6.1 Static Map Ủpdate.2 Dynamic Map Update .1 First set of Experiments: Mapping .2 Second set of experiments: SLAM .200 gà ee 123 lv 7 Conclusion 125 7.1 Directions for Further Research .204058 128 Reference List 130 Appendix A Publications .0 eee ee ee 137 A.

- 0022 eee ee es 137 A. - HQ eee ee 137 A.0 00 ee ee ee 138 List Of Tables 4.1 Results of the HMM terrain semantic classification.2 Results of the HMM activity based semantic classification.1 Results of the SVM semantic classification for the walkway environment.2 Results of the SVM semantic classification for the garden environment.3 Results of the SVM semantic classification for the garden environment using just one property of the space.4 Results of the SVM activity-based semantic classification using the four properties of the space.9 Results of the SVM semantic classification for the learning and complete datasets using the properties (1) activity and (4) average size.6 Results of the SVM semantic classification using combinations of the prop- erties of the space.7 Results of the SVM semantic classification excluding the non used space.8 Results of the SVM multi class semantic classification.1 Inverse observation model for the static map.2 Inverse observation model for dynamic map .3 Static and dynamic landmark classification.4 Mapping dynamic environment results.- 116 vì List Of Figures 1.1 Occupancy grid map, fire evacuation map, and equivalent floor-plan.2 Part ofacity map.1 A Segway RMP equipped with laser range finders, GPS, and IMU.2 Robot trajectory estimates using particle filter based GPS approximation.3 Robot trajectory estimates using GPS and MCL.4 Coarse-scale localization using MCL. The particle filter estimate is indi- cated by the arrow.9 Part of USC campus and the corresponding 3D model.6 USC Gerontology building and the corresponding 3D model.7 USC bookstore and the corresponding 3D model.8 3D maps of Ft. Benning based on pose estimation and range data.9 USC Accounting Building.10 3D maps of Ft.

Benning built based on pose estimation and range data.11 3D maps of Ft. Benning built based on pose estimation and range data (closer view). TK TT TT va 47 3.12 NIMS node deployed in the Íorest.13 3D map build using a NIMS node.1 Robotic platforms used during the experiments with front mounted laser pitched down.2 Real environments and 3D models with the ground truth areas in dark gray 4.3 Gaussian pdfs for the A and U points of the walkway terrain.4 HMM based semantic classification, with and without MRF segmentation.5 Semantic classification of the Section A of the garden terrain.6 Environment used for the activity based semantic mapping and the space representation created by mobile robots. The gray frame corresponds to the mapped area, the black lines divide the street from the sidewalks, and the black squares are the position of the robots.7 Semantic classification based on different properties of the space.

The right sidewalk is not correctly classified.8 Semantic classification based on different properties of the space. The street in the center is correctly identified.3 Semantic classification results for the walkway terrain. The walkway in the center is correctly Identiied. QẶ Q Q HQ ga 5.4 Data points in the property space (A in gray and U in black).9 Semantic classification results for the garden terrain.

The walkway in the center is correctly identified.6 Results of the SVM semantic classification (W in light gray and S in dark gray). Different from the RBF kernel, the linear kernel correctly distinguish the street from the sidewalks.7 Results of the SVM semantic classification for the learning and complete datasets using the properties (1) activity and (4) average size.8 Results of the SVM semantic classification for the three categories. Results of the categories A and B have correctly distinguished the street and the sidewalks.9 Results of the SVM semantic classification (W in light gray, S in dark gray, and non used space in white). HH vo 94 Vili 5.10 Multi class classification ground truth (S in dark gray, w in light gray, and Finblack).

ee ee ee.11 Results of the SVM multi class semantic classification using the polynomial kernel. Most part of the static entities in the environment have been identified 97 6.1 Update for the static and dynamic maps.2 Map of landmarks.00002 peepee eee eee 111 6.3 Pioneer robots at the California Science Center.4 Maps of the computer science building at USC.5 Simulation with 6 moving objects: the white circle R represents the robot, the moving entities Ä⁄ƒ are detected as dynamic, and the box B .6 Simulation with 6 moving objects.7 Results of no localization and no dynamic obstacles detection in the map- ping task.8 Map with people moving around the robot. The robot (R) detected all the moving entities (P) and represented them appropriately in the map 2. 122 ix Abstract Robotic mapping is the process of automatically constructing an environment represen- tation using mobile robots.

We address the problem of semantic mapping, which consists of using mobile robots to create maps that represent not only metric occupancy but also other properties of the environment. Specifically, we develop techniques to build maps that represent mobility, navigability, and activity of the environment. In doing so, we also develop techniques which partially address two important cases in robotic mapping; dynamic environments and large-scale environments. Our approach to semantic mapping is to combine machine learning techniques with standard mapping algorithms.

Supervised learning methods are used to automatically as- sociate properties of space to the desired classification patterns. We present two methods, the first based on hidden Markov models and the second on support vector machines. Both approaches have been tested and validated in two problem domains: terrain mapping and activity-based mapping. For the most part, previous mobile robotics mapping research has concentrated on static environments.

The explicit semantic identification of dynamic entities improves the accuracy of the localization and mapping processes. We extend the well-known occupancy grid approach to simultaneously maintain parallel occupancy grids for static and dynamic portions of the environment. A Bayesian inference mechanism is used to infer the map from sensed data and prior distributions on these grids. Finally, we address the problem of scale.

Most previous mapping algorithms have been designed for small structured environments (e. indoor office-like spaces). Through robust outdoor localization, we provide initial solutions for mapping large urban spaces. xi Chapter 1 Introduction Creating an internal representation (map) of the physical environment is one of the most basic and important capabilities in mobile robotics.

Most tasks to be performed by mobile robots requires some type of internal knowledge of the environment. Given the impor- tance of map making in the robotics field, scientists have been actively working on this topic for about two decades, and several mapping techniques have been proposed in the literature over this time. Robotic mapping has been performed in different types of envi- ronments with many distinct robotic platforms. Undersea mapping has been performed by submarine robots [55].

Aerial robots such as helicopters, planes, and blimps have also been successfully used for mapping [49] [56] [76]. And, of course, a considerable amount of robotic mapping has been performed with ground robots (see [74] for a survey). In general, the main focus of the research on mapping has been on representing the geometry of the environment with high accuracy. Although robot-built maps are success- fully used for tasks like path planning, navigation, and localization, they are very limited in describing details of the environment other than distinguishing between occupied and empty areas.

Virtually any property of space can be represented in a map, but the large majority of the maps built by mobile robots consists of only metric representations of the occupancy of the space. During the mapping task, most mapping techniques neglect a considerable amount of information that describe other aspects of the environment like the navigability, or the nature of the activity that occurs there. As the tasks performed by mobile robots become more complex, it also becomes necessary to have more sophisticated representations for the environment. This dissertation addresses the problem of semantic mapping using mobile robots, which consists of creating maps that represent not only metric occupancy but also other properties (semantics) of the environment.

Specifically, we develop techniques to build maps that represent mobility, navigability, and activity of the environment.1 Challenges in Robotic Mapping Although there have been considerable advances in robotic mapping in the last decade, there are still challenges and open questions to be answered in this field of research. Some of the important challenges in the area of robotic mapping are: the imprecision of the sensor information, environment representation, dynamic environments, and information retrieval from sensor data. Sensor imprecision: Sensors have limitations. They are always subject to impre- cision.

One of the most important characteristics about the inherent error of sensor measurements is that they are statistically dependent. This implies that some sensor er- rors impact the interpretation of others. For example if the robot localization drifts, the range sensor data is incorrectly registered with the map. One of the hardest problems caused by imprecise sensors is to estimate the position of the robot related to the map.

Dead reckoning is widely used to estimate the robot’s pose when it moves. Unfortunately, the information provided by dead reckoning is not accurate, usually due to drift. Other types of sensors used to estimate the robot’s pose (e.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Câu hỏi thường gặp

Luận án "Luận án tiến sĩ: Semantic mapping using mobile robots" nghiên cứu về vấn đề gì?

Luận án tiến sĩ tập trung phát triển lập bản đồ ngữ nghĩa cho robot di động. Nghiên cứu đề xuất phương pháp mới nâng cao độ chính xác và hiệu quả.

Luận án "Luận án tiến sĩ: Semantic mapping using mobile robots" được bảo vệ tại trường nào?

Luận án này được bảo vệ tại University of Southern California. Năm bảo vệ: 2006.

Luận án "Luận án tiến sĩ: Semantic mapping using mobile robots" thuộc chuyên ngành gì?

Luận án "Luận án tiến sĩ: Semantic mapping using mobile robots" thuộc chuyên ngành Computer Science. Danh mục: Khoa Học Giáo Dục.

Luận án "Luận án tiến sĩ: Semantic mapping using mobile robots" có bao nhiêu trang?

Luận án "Luận án tiến sĩ: Semantic mapping using mobile robots" có 150 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.

Cách tải luận án "Luận án tiến sĩ: Semantic mapping using mobile robots" về máy như thế nào?

Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.

Luận án liên quan

Chia sẻ tài liệu: Facebook Twitter