Ανάπτυξη και υλοποίηση νέων τεχνικών εντοπισμού αυτόνομων ρομποτικών συστημάτων για εφαρμογές πραγματικού χρόνου
Authors: Καλόμοιρος Ιωάννης 
Published: January 2014

Τα συστήματα πλοήγησης αυτόνομων ρομποτικών οχημάτων σε άγνωστο περιβάλλον και ειδικά τα συστήματα που στηρίζονται σε τεχνικές μηχανικής όρασης, αποτελούν πολύ ενεργό ερευνητικό πεδίο, με προεκτάσεις και σε άλλες εφαρμοσμένες περιοχές της επιστήμης. Στη διατριβή αυτή σχεδιάζονται και αξιολογούνται ηλεκτρονικές εφαρμογές για την υποστήριξη της διαδικασίας του ταυτόχρονου εντοπισμού και χαρτογράφησης σε αυτόνομα ρομποτικά οχήματα. Παράλληλα, εξετάζονται οι υπολογιστικές τεχνικές επαγωγής κατά Bayes, που αρθρώνουν τον ταχύ αλγόριθμο ταυτόχρονου εντοπισμού και χαρτογράφησης (FastSLAM). Οι τεχνικές αυτές υλοποιούνται χρησιμοποιώντας ένα σύστημα παρατήρησης με βάση τη στερεοσκοπική όραση μηχανής. Το υλικό και το λογισμικό αναπτύσσονται με σκοπό τον εντοπισμό και τη χαρτογράφηση του ρομπότ σε πραγματικό χρόνο. Ένα τελικό αποτέλεσμα της διατριβής αυτής είναι η ανάπτυξη ενός πρωτότυπου ηλεκτρονικού κυκλώματος πολύ υψηλής πυκνότητας ολοκλήρωσης, για την οπτική παρατήρηση και εξαγωγή χαρακτηριστικών σημείων, κατάλληλων για τρισδιάστατη ρομποτική χαρτογράφηση. Το κύκλωμα υλοποιήθηκε με τη μορφή συστήματος σε προγραμματιζόμενη ψηφίδα (system-on-a-programmable-chip), χρησιμοποιώντας διάταξη πυλών προγραμ- ματιζόμενων στο πεδίο (Field Programmable Gate Array). Για την εξαγωγή των χαρακτηριστικών σημείων χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές παραγωγής πυκνών χαρτών βάθους σε πραγματικό χρόνο. Έτσι, σημαντικό μέρος αυτής της διατριβής εστιάζεται στο πρόβλημα της σχεδίασης συστημάτων υλικού (hardware) για την υλοποίηση απαιτητικών αλγορίθμων αντιστοίχησης των εικονοστοιχείων στερεοσκοπικού ζεύγους. Αναπτύχθηκε ένα σύστημα υλικού σε προγραμματιζόμενη ψηφίδα, που παραλληλίζει πλήρως τον αλγόριθμο τοπικής συσχέτισης «Άθροισμα Απόλυτων Διαφορών» (Sum of Absolute Differences). Το σύστημα αυτό στηρίζεται στον παραλληλισμό των συγκρίσεων ανάμεσα σε ένα παράθυρο της δεξιάς εικόνας και στο σύνολο των υποψήφιων αντίστοιχων παραθύρων στην αριστερή εικόνα. Για την αποθήκευση των παραθύρων χρησιμοποιείται ενσωματωμένη μνήμη επί της ψηφίδας. Επιτυγχάνονται ρυθμοί εκατοντάδων πλαισίων το δευτερόλεπτο και μέγιστο εύρος παραλλάξεων 64 επιπέδων. Επίσης, προτείνεται ένας νέος αλγόριθμος μεγιστοποίησης της πιθανότητας αντιστοίχησης (maximum likelihood), που παραλληλίζει πλήρως τα βήματα του δυναμικού προγραμματισμού. Ο αλγόριθμος αυτός, επιτελεί καθολική βελτιστοποίηση των αντιστοιχήσεων κατά μήκος των επιπολικών γραμμών. Με βάση τον αλγόριθμο αυτό σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε ένα νέο στερεοσκοπικό σύστημα σε προγραμματιζόμενη ψηφίδα. Το σύστημα αυτό επιτυγχάνει επιδόσεις αντίστοιχες με αυτές του συστήματος τοπικής συσχέτισης, αλλά παράγει καλύτερους ποιοτικά χάρτες βάθους. Επιπλέον, το σύστημα επεκτάθηκε ώστε να λαμβάνει υποστήριξη από γειτονικές γραμμές σάρωσης, κάτι που μειώνει αισθητά το ρυθμό εμφάνισης σφαλμάτων αντιστοίχησης. Τα δύο παραπάνω συστήματα παράγουν παραλλάξεις παράλληλα με τη ροή των εισερχόμενων εικονοστοιχείων, ώστε εξάγουν ένα εικονοστοιχείο παράλλαξης για κάθε εισερχόμενο ζεύγος εικονοστοιχείων της δεξιάς και της αριστερής εικόνας. Η ροή των δεδομένων στην ψηφίδα υποστηρίζεται από ενσωματωμένο επεξεργαστή Nios II, στον οποίο ανατίθεται ο έλεγχος της διάταξης. Το σύστημα συμπληρώνεται από εξωτερική μνήμη και περιφερειακούς ελεγκτές. Για την υλοποίηση και την αξιολόγηση των συστημάτων χρησιμοποιήθηκε η διάταξη Cyclone II 2C35 της εταιρίας Altera. Στο τελικό σύστημα παρατήρησης για τον εντοπισμό και τη χαρτογράφηση, χρησιμοποιήθηκε το στερεοσκοπικό σύστημα δυναμικού προγραμματισμού. Ο στερεοσκοπικός ανιχνευτής συμπληρώθηκε με μια διάταξη εξαγωγής χαρακτηριστικών σημείων από τις εικόνες του στερεοσκοπικού ζεύγους. Τα σημεία εξάγονται ως γωνίες, με την απαίτηση να υπακούουν στο αυστηρό κριτήριο της συνέπειας ανάμεσα στη δεξιά και στην αριστερή εικόνα (left-right consistency). Ο έλεγχος της συνέπειας στηρίζεται στην τιμή της παράλλαξης, που εξάγεται από τον πυκνό χάρτη βάθους. Με βάση την παραπάνω διάταξη παρατήρησης, αναπτύσσεται το μαθηματικό μοντέλο παρατήρησης (observation model), το οποίο ενσωματώνεται στον αλγόριθμο ταχέως εντοπισμού και χαρτογράφησης. Ο αλγόριθμος λειτουργεί ως φίλτρο αβεβαιότητας για την τροχιά και τον χάρτη, και υλοποιείται σε υπολογιστή γενικού σκοπού, ο οποίος παίζει το ρόλο του ξενιστή για το σύστημα στην προγραμματιζόμενη ψηφίδα. Η σύνδεση ανάμεσα στον ξενιστή υπολογιστή και στον συνεπεξεργαστή υλικού γίνεται μέσω ελεγκτή διασύνδεσης usb2.0, υψηλής ταχύτητας (high speed). Οι βασικές τεχνικές που υλοποιούνται στο πλαίσιο του αλγορίθμου FastSLAM είναι ένα φίλτρο σωματιδίων κατά Rao-Blackwell, για την εκτίμηση της τροχιάς, και μια πληθώρα επεκτάσεων του φίλτρου Kalman (Extended Kalman Filters) για την ανανέωση της θέσης των χαρακτηριστικών σημείων στο χάρτη. ...