Método de navegación basado en aprendizaje y repetición autónoma para vehículos aéreos no tripulados
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 distinguendos fases: una de aprendizaje (teach) y otra de navegación autónoma (repeat). Durante l...
| Author: | |
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| Format: | doctoral thesis |
| Status: | Published version |
| Publication Date: | 2016 |
| Country: | Argentina |
| Institution: | Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales |
| Repository: | Biblioteca Digital (UBA-FCEN) |
| Language: | English |
| OAI Identifier: | tesis:tesis_n6036_Nitsche |
| Online Access: | https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6036_Nitsche |
| Access Level: | Open access |
| Keyword: | ROBOTICA NAVEGACION VANT AUTONOMIA VISION ROBOTICS NAVIGATION UAV AUTONOMY |
| Summary: | 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 distinguendos 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 laetapa de navegación autónoma. En esta segunda fase el sistema opera a lazo cerrado controlando el VANTcon el objetivo de repetir en forma precisa y robusta el camino previamente aprendido. Como principalsensado se utiliza un sistema de visión monocular, en conjunción con sensores que permitan estimar a cortoplazo 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 puedaser ejecutado en tiempo real y a bordo del mismo vehículo, sin depender de una estación terrena a la cualse delegue parte del procesamiento o de un sistema de localización externa (como por ejemplo GPS, enambientes exteriores) o de captura de movimiento (como por ejemplo ViCon, en ambientes interiores). Enotras palabras, se busca un sistema completamente autónomo. Para ello, se propone el uso de un enfoquebasado en apariencias (o appearance-based, del inglés), que permite resolver el problema de la localizacióndel vehículo respecto del mapa en forma cualitativa y que es computacionalmente eficiente, lo que permitesu 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 delentorno) en forma absoluta con respecto a un sistema de coordenadas global. Bajo dicho esquema, comoconsecuencia, el error en la estimación de la pose se acumula en forma no acotada, limitando su utilizaciónen 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 cualdificulta 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 unsistema de coordenadas local cercano al vehículo (es decir, una referencia sobre el camino) que es determinadomediante un esquema de filtro de partículas (Localización de Monte Carlo). Esto se logra comparandola apariencia del entorno entre la etapa de aprendizaje y la de navegación, mediante el empleo de característicasvisuales salientes (image features) detectadas en dichas etapas. Finalmente, utilizando una ley de controlsimple, se logra guiar al robot sobre el camino, a partir de reducir la diferencia entre la posición aparentede los objetos del entorno entre ambas etapas, producto del desplazamiento y diferencias de orientacion delrobot respecto del mismo. Como parte del desarrollo del trabajo de tesis, se presenta tanto la formulación y descripción del métodocomo el diseño y construcción de una plataforma VANT, sobre la cual se realizaron los experimentos denavegación. Asimismo, se exhiben experimentos tanto con plataformas aéreas en entornos simulados comosobre plataformas terrestres, dado que el método es aplicable también a los mismos. Con los resultadosobtenidos 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 aporteal estado del arte en lo que refiere a temas de navegación autónoma basada en visión, particularmente (perono exclusivamente) para el caso de robots aéreos. |
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