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Método de navegación basado en aprendizaje y repetición autónoma para vehículos aéreos no tripulados


Appearance-based teach and repeat navigation method for unmanned aerial vehicles

Nitsche, Matías Alejandro

Director(a):
Mejail, Marta Estela
 
Institución otorgante:
Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires
Fecha:
2016-03-22
Tipo de documento: 
Tesis Doctoral
 
Formato:
text; pdf
Idioma:
Inglés
Temas:
Computación / Robótica - ROBOTICA - NAVEGACION - VANT - AUTONOMIA - VISION
Descripción:
En esta tesis se presenta un método basado en la técnica de Aprendizaje y Repetición (teach & repeat o TnR) para la navegación autónoma de Vehículos Aéreos No Tripulados (VANTs). Bajo esta técnica se distinguen dos fases: una de aprendizaje (teach) y otra de navegación autónoma (repeat). Durante la etapa de aprendizaje, el VANT es guiado manualmente a través del entorno, definiendo así un camino a repetir. Luego, el VANT puede ser ubicado en cualquier punto del camino (generalmente, al comienzo del mismo) e iniciar la etapa de navegación autónoma. En esta segunda fase el sistema opera a lazo cerrado controlando el VANT con el objetivo de repetir en forma precisa y robusta el camino previamente aprendido. Como principal sensado se utiliza un sistema de visión monocular, en conjunción con sensores que permitan estimar a corto plazo el desplazamiento del robot respecto del entorno, tales como sensores inerciales y de flujo óptico. El principal objetivo de este trabajo es el de proponer un método de navegación tipo T&R que pueda ser ejecutado en tiempo real y a bordo del mismo vehículo, sin depender de una estación terrena a la cual se delegue parte del procesamiento o de un sistema de localización externa (como por ejemplo GPS, en ambientes exteriores) o de captura de movimiento (como por ejemplo ViCon, en ambientes interiores). En otras palabras, se busca un sistema completamente autónomo. Para ello, se propone el uso de un enfoque basado en apariencias (o appearance-based, del inglés), que permite resolver el problema de la localización del vehículo respecto del mapa en forma cualitativa y que es computacionalmente eficiente, lo que permite su ejecución en hardware disponible a bordo del vehículo. La solución propuesta se diferencia del típico esquema de Localización y Mapeo Simultáneo (Simultaneous Localization and Mapping o SLAM) mediante el cual se estima la pose del robot (y la de los objetos del entorno) en forma absoluta con respecto a un sistema de coordenadas global. Bajo dicho esquema, como consecuencia, el error en la estimación de la pose se acumula en forma no acotada, limitando su utilización en el contexto de una navegación a largo plazo, a menos que se realicen correcciones globales en forma periódica (detección y cierre de ciclos). Esto impone el uso de técnicas computacionalmente costosas, lo cual dificulta su ejecución en tiempo real sobre hardware que pueda ser llevado a bordo de un robot aéreo. En contraste, bajo el enfoque propuesto en esta tesis, la localización se resuelve en forma relativa a un sistema de coordenadas local cercano al vehículo (es decir, una referencia sobre el camino) que es determinado mediante un esquema de filtro de partículas (Localización de Monte Carlo). Esto se logra comparando la apariencia del entorno entre la etapa de aprendizaje y la de navegación, mediante el empleo de características visuales salientes (image features) detectadas en dichas etapas. Finalmente, utilizando una ley de control simple, se logra guiar al robot sobre el camino, a partir de reducir la diferencia entre la posición aparente de los objetos del entorno entre ambas etapas, producto del desplazamiento y diferencias de orientacion del robot respecto del mismo. Como parte del desarrollo del trabajo de tesis, se presenta tanto la formulación y descripción del método como el diseño y construcción de una plataforma VANT, sobre la cual se realizaron los experimentos de navegación. Asimismo, se exhiben experimentos tanto con plataformas aéreas en entornos simulados como sobre plataformas terrestres, dado que el método es aplicable también a los mismos. Con los resultados obtenidos se demuestra la factibilidad y precisión de los métodos de localización y navegación propuestos, ejecutando en hardware a bordo de un robot aéreo en tiempo-real. Así, con esta tesis se presenta un aporte al estado del arte en lo que refiere a temas de navegación autónoma basada en visión, particularmente (pero no exclusivamente) para el caso de robots aéreos.
Identificador:
http://digital.bl.fcen.uba.ar/gsdl-282/cgi-bin/library.cgi?a=d&c=tesis&d=Tesis_6036_Nitsche
Identificador único:
http://repositoriouba.sisbi.uba.ar/h/2763
Derechos:
info:eu-repo/semantics/openAccess
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/ar/
Licencia de uso:
Licencia Creative Commons

Descargar texto: Tesis_6036_Nitsche.oai

Cita bibliográfica:

Nitsche, Matías Alejandro  (2016-03-22).     Método de navegación basado en aprendizaje y repetición autónoma para vehículos aéreos no tripulados.  (Tesis Doctoral).    Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires.    [consultado:  ] Disponible en el Repositorio Digital Institucional de la Universidad de Buenos Aires:  <http://digital.bl.fcen.uba.ar/gsdl-282/cgi-bin/library.cgi?a=d&c=tesis&d=Tesis_6036_Nitsche>