Probabilistic mapping with mobile robots in structured environments

La mayor parte de los entornos disenados por el hombre presentan caracteristicas geometricas especificas. En ellos es frecuente encontrar formas poligonales, rectangulares, circulares . con una serie de relaciones tipicas entre distintos elementos del entorno. Introducir este tipo de conocimiento en el proceso de construccion de mapas de un robot movil puede mejorar notablemente la calidad y la precision de los mapas resultantes. Tambien puede hacerlos mas utiles de cara a un razonamiento de mas alto nivel. Cuando la construccion de mapas se formula en un marco probabilistico Bayesiano, una especificacion completa del problema requiere considerar cierta informacion a priori sobre el tipo de entorno. El conocimiento previo puede aplicarse de varias maneras, en esta tesis se presentan dos marcos diferentes: uno basado en el uso de primitivas geometricas y otro que emplea un metodo de representacion cercano al espacio de las medidas brutas. Un enfoque basado en caracteristicas geometricas supone implicitamente imponer un cierto modelo a priori para el entorno. En este sentido, el desarrollo de una solucion al problema SLAM mediante la optimizacion de un grafo de caracteristicas geometricas constituye un primer paso hacia nuevos metodos de construccion de mapas en entornos estructurados. En el primero de los dos marcos propuestos, el sistema deduce la informacion a priori a aplicar en cada caso en base a una extensa coleccion de posibles modelos geometricos genericos, siguiendo un metodo de Maximizacion de la Esperanza para hallar la estructura y el mapa mas probables. La representacion de la estructura del entorno se basa en un enfoque jerarquico, con diferentes niveles de abstraccion para los distintos elementos geometricos que puedan describirlo. Se llevaron a cabo diversos experimentos para mostrar la versatilidad y el buen funcionamiento del metodo propuesto. En el segundo marco, el usuario puede definir diferentes modelos de estructura para el entorno mediante grupos de restricciones y energias locales entre puntos vecinos de un conjunto de datos del mismo. El grupo de restricciones que se aplica a cada grupo de puntos depende de la topologia, que es inferida por el propio sistema. De este modo, se pueden incorporar nuevos modelos genericos de estructura para el entorno con gran flexibilidad y facilidad. Se realizaron distintos experimentos para demostrar la flexibilidad y los buenos resultados del enfoque propuesto. Abstract Most human designed environments present specific geometrical characteristics. In them, it is easy to find polygonal, rectangular and circular shapes, with a series of typical relations between different elements of the environment. Introducing this kind of knowledge in the mapping process of mobile robots can notably improve the quality and accuracy of the resulting maps. It can also make them more suitable for higher level reasoning applications. When mapping is formulated in a Bayesian probabilistic framework, a complete specification of the problem requires considering a prior for the environment. The prior over the structure of the environment can be applied in several ways; this dissertation presents two different frameworks, one using a feature based approach and another one employing a dense representation close to the measurements space. A feature based approach implicitly imposes a prior for the environment. In this sense, feature based graph SLAM was a first step towards a new mapping solution for structured scenarios. In the first framework, the prior is inferred by the system from a wide collection of feature based priors, following an Expectation-Maximization approach to obtain the most probable structure and the most probable map. The representation of the structure of the environment is based on a hierarchical model with different levels of abstraction for the geometrical elements describing it. Various experiments were conducted to show the versatility and the good performance of the proposed method. In the second framework, different priors can be defined by the user as sets of local constraints and energies for consecutive points in a range scan from a given environment. The set of constraints applied to each group of points depends on the topology, which is inferred by the system. This way, flexible and generic priors can be incorporated very easily. Several tests were carried out to demonstrate the flexibility and the good results of the proposed approach.