Νέες τεχνικές χάραξης πορείας ρομπότ και ρομποτικής όρασης
Authors: Ιωαννίδης Κωνσταντίνος 
Published: August 2021

Το ερευνητικό πεδίο της ρομποτικής είναι ευρέως διαδεδομένο και χρησιμοποιείται σε ένα μεγάλο αριθμό εφαρμογών. Ρομπότ διαφορετικών δυνατοτήτων που περιλαμβάνουν ένα μεγάλο αριθμό αισθητήρων αξιοποιούνται για την ολοκλήρωση ενός μεγάλου εύρους εργασιών. Η κατάλληλη χρήση των διαθέσιμων πόρων ενός ρομποτικού συστήματος και πιο συγκεκριμένα των διαθέσιμων αισθητήρων αποτελεί κρίσιμο παράγοντα για την ανάκτηση πληροφοριών που σχετίζονται με την κατάσταση του περιβάλλοντα χώρου. Ουσιαστικά, αποτελούν το μέσο με το οποίο ένα ρομπότ μπορεί να αντιληφθεί και να αλληλεπιδράσει με το περιβάλλον του. Σο σύνολο των εφαρμογών ρομποτικών συστημάτων θεωρούν απαραίτητη προϋπόθεση την αξιοποίηση των δεδομένων των αισθητήρων ώστε να εκτελούνται οι απαιτούμενες εργασίες.Φαρακτηριστικά παραδείγματα εφαρμογών και τεχνικών που προαπαιτούν τη χρήση αισθητήρων αποτελούν οι τεχνικές χάραξης πορειών ρομπότ καθώς και η ρομποτική όραση. Βασικός στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η μελέτη και η ανάπτυξη νέων τεχνικών χάραξης πορειών ρομπότ και ρομποτικής όρασης οι οποίες να σχετίζονται είτε άμεσα είτε έμμεσα με την πλοήγηση αυτών. Η πρώτη τεχνική χάραξης πορειών που περιγράφεται βασίζεται στα Κυψελιδωτά Αυτόματα (ΚΑ) ώστε μια ομάδα συνεργαζόμενων ρομπότ να ακολουθεί μία προκαθορισμένη διαδρομή. ΢τόχος του συστήματος είναι να παρέχεται σε μία ρομποτική ομάδα η δυνατότητα μετάβασης του κάθε ρομπότ από την αρχική στην τελική του θέση αποφεύγοντας πιθανά δυναμικά εμπόδια. Η τεχνική πρέπει να δεσμεύει και να χειρίζεται τους ελάχιστους δυνατούς πόρους του κάθε ρομπότ ώστε να επιτυγχάνονται επιπλέον στόχοι όπως η διατήρηση και η ανάκτηση των σχηματισμών της ομάδας μέσω συνεργασιών. Αρχικά, ο χώρος διακριτικοποιείται σε ισομεγέθεις κυψελίδες οι οποίες σε κάθε χρονικό βήμα χαρακτηρίζονται από μία κατάσταση. Η κατάσταση της κάθε κυψελίδας εξελίσσεται με βάση την τρέχουσα κατάστασή της καθώς και των γειτονικών της κυψελίδων εφαρμόζοντας τους κατάλληλους κανόνες μετάβασης. Η απαιτούμενη απόσταση, η αποφυγή των αντικειμένων και η ανάκτηση/διατήρηση των σχηματισμών της ομάδας επιτυγχάνονται με την εφαρμογή των κατάλληλων κανόνων εξέλιξης του ΚΑ. Λόγω της απλότητας των ΚΑ, η προτεινόμενη τεχνική εμφανίζει χαμηλές απαιτήσεις για την υλοποίησή της σε πραγματικά συστήματα. Σα δυναμικά αντικείμενα του χώρου ανιχνεύονται και αποφεύγονται επιτυχώς παρόλα αυτά με ορισμένους περιορισμούς εξαιτίας της διακριτικοποίησης του χώρου. ΢υγκριτικά με άλλες παρόμοιες τεχνικές της βιβλιογραφίας οι οποίες εμφανίζουν υψηλές απαιτήσεις στα τεχνικά χαρακτηριστικά των χρησιμοποιούμενων ρομπότ, η προτεινόμενη τεχνική μπορεί να υλοποιηθεί σε μία ρομποτική ομάδα αποτελούμενη από ρομπότ περιορισμένων τεχνικών προδιαγραφών.Σο βασικό πρόβλημα που αντιμετωπίζουν οι πολυπληθείς ρομποτικές ομάδες είναι ότι απαιτείται τοπική συνεργασία μεταξύ των γειτονικών μελών της ομάδας προκειμένου να διατηρείται ο σχηματισμός τους. Παρόλη τη σημασία της, η συγκεκριμένη διαδικασία συνεργασιών αποδεικνύεται χρονοβόρα επειδή η σύγκλιση για την ανάκτηση του σχηματισμού γίνεται σε τοπικό επίπεδο. Η δεύτερη τεχνική χάραξης πορειών προτάθηκε προκειμένου να ελαττωθεί ο εν λόγω απαιτούμενος χρόνος ανάκτησης. Η προτεινόμενη τεχνική βασίζεται στη συνέργεια δύο κλασσικών ευφυών τεχνικών, τα ΚΑ και τις Σεχνητές Αποικίες Μυρμηγκιών (ΣΑΜ). Σο κεντρικό εργαλείο που αξιοποιήθηκε από τους αλγορίθμους ΣΑΜ είναι η ουσία της «φερομόνης» με την εφαρμογή της οποίας οι απαιτούμενες διεργασίες επικοινωνίας ελαχιστοποιούνται στις απολύτως αναγκαίες. Αρχικά, ολόκληρη η ρομποτική ομάδα διαιρείται σε ισάριθμες υποομάδες οι οποίες καλούνται να σχηματίζουν και να διατηρούν το ίδιο μοτίβο. Ο χώρος λειτουργίας της ομάδας αναλύεται σε κυψελίδες ίσων διαστάσεων οι οποίες και χαρακτηρίζονται από συγκεκριμένες καταστάσεις σε κάθε χρονική στιγμή. Οι καταστάσεις χαρακτηρίζουν κυψελίδες που αντιστοιχούν σε: ελεύθερο χώρο, κάποιο ρομπότ της ομάδας, ένα αντικείμενο του χώρου και σε κάποια ποσότητα φερομόνης. Η κατάσταση της κάθε κυψελίδας εξελίσσεται με βάση τους κανόνες μετάβασης του ΚΑ μέσω των οποίων προσομοιώνονται όλες οι λειτουργίες του συστήματος. Οι διεργασίες που σχετίζονται με το σχηματισμό της ομάδας ολοκληρώνονται είτε με την άμεση επικοινωνία των μεταξύ τους γειτονικών μελών της ομάδας είτε με την ανίχνευση κυψελίδων που αντιστοιχούν σε κάποια ποσότητα φερομόνης. Κατά την κίνηση ενός ρομπότ στην τελική του θέση, αποτυπώνεται στο έδαφος η πορεία του με τη χρήση μίας ουσίας η οποία χαρακτηρίζεται από τη βασική ιδιότητα της φερομόνης, την εξάτμιση. Η ποσότητα της φερομόνης διακριτικοποιείται κατά αντιστοιχία με τον ελεύθερο χώρο λειτουργίας της ομάδας ώστε να αντιστοιχίζεται σε μία κατάσταση του ΚΑ και να ανιχνεύεται από τα μέλη της επομένης υποομάδας μέσω των κατάλληλων αισθητήρων. Με τον τρόπο αυτό, δεν απαιτείται από τα μέλη μίας υποομάδας να εκτελούν διεργασίες συνεργασιών εφόσον πιθανές αλλαγές στο σχηματισμό αποτυπώνονται στο έδαφος από τις προηγούμενες υποομάδες. Η προτεινόμενη τεχνική υλοποιήθηκε με τη χρήση ενός προγράμματος προσομοίωσης πραγματικών κόσμων και συστημάτων, το Webots, κυρίως λόγω της δυνατότητας που παρέχεται από τις διαθέσιμες βιβλιοθήκες για την προσομοίωση των λειτουργιών της φερομόνης. Σα χρησιμοποιούμενα ρομπότ εξοπλίστηκαν με περισσότερους αισθητήρες ανίχνευσης αντικειμένων ώστε να περιορίζονται τα μειονεκτήματα που προκύπτουν από τη διακριτικοποίηση του χώρου. Επιπλέον, εξαιτίας της έμφυτης παραλληλίας των ΚΑ, όλες οι κυψελίδες αναπτύσσουν ταυτόχρονα τις καταστάσεις τους με αποτέλεσμα η τεχνική να εμφανίζει μικρούς χρόνους εκτέλεσης σε σύγκριση με παρόμοιες τεχνικές της βιβλιογραφίας. Σέλος, οι απαιτούμενοι πόροι εκτέλεσης της τεχνικής ελαχιστοποιούνται, λόγω της απλότητας και των δύο ευφυών τεχνικών, σε σχέση με τις αντίστοιχες τεχνικές οι οποίες υλοποιούνται σε εξειδικευμένα και υψηλού κόστους ρομπότ.Οι τεχνικές χάραξης πορειών αποτελούν ένα σημαντικό τομέα της ρομποτικής εξαιτίας της δυνατότητας πλοήγησης που παρέχεται στα ρομπότ. Η πλοήγηση αυτών καθώς και η ανάκτηση της οπτικής πληροφορίας του χώρου λειτουργίας τους αποτελούν δύο άμεσα συνδεδεμένους τομείς. Η χαρτογράφηση και η επίβλεψη χώρων με τη χρήση κινούμενων ρομπότ αποτελούν δύο χαρακτηριστικά παραδείγματα της συσχέτισης αυτής. Οι τεχνικές με τις οποίες πραγματοποιείται η ανάκτηση και η διαχείριση δεδομένων μέσω της χρήσης ψηφιακών καμερών συγκαταλέγονται στον ευρύτερο ερευνητικό πεδίο της ρομποτικής όρασης. Για το λόγο αυτό, αναπτύχθηκε μία νέα τεχνική ρομποτικής όρασης μέσω της οποίας επιτυγχάνεται η ορθή καταγραφή του χώρου λειτουργίας ενός ρομπότ και εντάσσεται στη γενική κατηγορία των μεθόδων ψηφιακής σταθεροποίησης εικόνας. Η νέα αυτή τεχνική βασίζεται στην εφαρμογή του μετασχηματισμού Hilbert-Huang, μία μέθοδος ανάλυσης και επεξεργασίας σημάτων. Η συνολική κίνηση που παρατηρείται σε καταγεγραμμένες εικονοσειρές οι οποίες έχουν ληφθεί από οποιαδήποτε κινούμενη ψηφιακή κάμερα οφείλεται σε δύο ανεξάρτητες κινήσεις, την ηθελημένη κίνηση και την ανεπιθύμητη κίνηση η οποία οφείλεται στις δονήσεις που προκαλούνται κατά την κίνηση της κάμερας. Αρχικά, υπολογίζονται τα τοπικά διανύσματα κίνησης που προκύπτουν από συγκεκριμένες περιοχές του φόντου και το προκύπτον σήμα αναλύεται σε επιμέρους υποσήματα με την εφαρμογή της εμπειρικής μεθόδου ανάλυσης. Σο ενεργειακό περιεχόμενο του κάθε υποσήματος υπολογίζεται με την εφαρμογή του μετασχηματισμού Hilbert και προσδιορίζεται το τελευταίο υποσήμα που περιλαμβάνει συνιστώσες της ανεπιθύμητης κίνησης της κάμερας. Σο άθροισμα των αρχικών υποσημάτων αντιστοιχεί στην ανεπιθύμητη κίνηση της κάμερας οπότε και αφαιρείται στο τελευταίο στάδιο επεξεργασίας ώστε να παραχθεί η σταθεροποιημένη έκδοση της εικονοσειράς. Σα πειραματικά και συγκριτικά αποτελέσματα δείχνουν ότι η προτεινόμενη τεχνική επιτυγχάνει τον ορθό προσδιορισμό των δύο κινήσεων ενώ η τελική σταθεροποιημένη εικονοσειρά υπερτερεί ποιοτικά σε σχέση με άλλες σχετικές μεθόδους της βιβλιογραφίας. Ο αποδοτικός διαχωρισμός των δύο κινήσεων ποσοτικοποιήθηκε για όλες τις ελεγχόμενες τεχνικές με τη χρήση των κατάλληλων μετρικών. Η υπεροχή της τεχνικής έναντι των άλλων μεθόδων οφείλεται στο γεγονός ότι η ανάλυση των κινήσεων βασίζεται στα δύο βασικά χαρακτηριστικά των κινήσεων αυτών. Η ανεπιθύμητη κίνηση εμφανίζει συνιστώσες υψηλών συχνοτήτων και μικρές μετατοπίσεις ενώ αντιθέτως, η ηθελημένη κίνηση βασίζεται σε ομαλές (χαμηλές συχνότητες) και υψηλών πλατών (υψηλά ενεργειακά ποσοστά) μετατοπίσεις. ΢το πλαίσιο εφαρμογής της τεχνικής σε ένα κινούμενο ρομπότ αναπτύχθηκε ένα λογισμικό το οποίο «συνεργάζεται» με ένα πραγματικό ρομπότ και εκτελεί λειτουργίες πλοήγησης καθώς επίσης παράγει σταθεροποιημένες εικονοσειρές εφαρμόζοντας την προτεινόμενη τεχνική. Σέλος, προτείνεται μία νέα τεχνική ρομποτικής όρασης κατάλληλη για την προσαρμόσιμη ανάκτηση της τρίτης διάστασης του χώρου μέσω στερεοσκοπικών ζευγών δισδιάστατων εικόνων. Οι παραγόμενοι χάρτες βάθους μπορούν να αξιοποιηθούν σε εφαρμογές όπως αυτόνομη πλοήγηση ενός ρομπότ και χαρτογράφηση άγνωστων χώρων. Η προτεινόμενη τεχνική αναπροσαρμόζει την τιμή μίας σημαντικής μεταβλητής για την εξαγωγή χαρτών βάθους, του επιπέδου ανομοιομορφίας, το οποίο και αποτελεί ουσιαστικά τη μέγιστη δυνατή τιμή ενός εικονοστοιχείου του αντίστοιχου χάρτη. Αρχικά εξάγεται ένας χάρτης βάθους μίας σκηνής με την εφαρμογή μίας οποιασδήποτε μεθόδου στερεοσκοπικής αντιστοίχησης. Σο αντίστοιχο εξαγόμενο ιστόγραμμα εμφανίζει έναν αριθμό πιθανών τιμών ανομοιομορφίας ίσο με το επίπεδο ανομοιομορφίας. ΢τη συνέχεια, το ιστόγραμμα αναλύεται σε ισομεγέθη μέρη και η αναπροσαρμογή του επιπέδου ανομοιομορφίας πραγματοποιείται με βάση συγκεκριμένα στατιστικά δεδομένα του δεξιότερου τμήματος του ιστογράμματος. ΢την περίπτωση όπου ένα αντικείμενο βρίσκεται στο κοντινό περιβάλλον της στερεοσκοπικής κάμερας, παρατηρείται αύξηση της κατανομής στο δεξιότερο τμήμα του ιστογράμματος οπότε και απαιτείται αύξηση του επιπέδου ανομοιομορφίας ώστε να εξάγονται οι ζητούμενες τιμές ανομοιομορφίας. ΢την αντίθετη περίπτωση, η εφαρμογή μίας υψηλής τιμής επιπέδου ανομοιομορφίας είναι περιττή επειδή το συνολικό υπολογιστικό κόστος διατηρείται άσκοπα σε υψηλά επίπεδα οπότε και το αντίστοιχο επίπεδο ελαττώνεται. Οι προτεινόμενες τεχνικές στερεοσκοπικής αντιστοίχησης της βιβλιογραφίας θεωρούν μία σταθερή τιμή του επιπέδου ανομοιομορφίας χωρίς να γίνεται καμία προσέγγιση μεταβολής του με αποτέλεσμα τον αποκλεισμό της δυναμική φύσης του χώρου λειτουργίας ενός ρομπότ. Η εφαρμογή της προτεινόμενης τεχνικής διευκολύνει και βελτιώνει την πλοήγηση ενός ρομπότ καθιστώντας δυνατή τη μείωση του επιπέδου ανομοιομορφίας (μείωση του χρόνου εξαγωγής των απαιτούμενων χαρτών) και τον εντοπισμό κοντινών αντικειμένων, αντίστοιχα. Για το λόγο αυτό, αναπτύχθηκε κατάλληλο λογισμικό το οποίο λαμβάνει τα στερεοσκοπικά ζεύγη εικόνων από ένα πραγματικό ρομπότ και εκτελεί όλες τις λειτουργίες της προτεινόμενης τεχνικής. Ο απαιτούμενος χρόνος για την αναπροσαρμογή του επιπέδου ανομοιομορφίας διατηρείται σε χαμηλά επίπεδα, όπως προκύπτει από την υλοποίηση της τεχνικής, καθιστώντας την κατάλληλη για ένα μεγάλο αριθμό ρομποτικών εφαρμογών.