Ταξινόμηση κατάστασης θέσης σε γραμμικά γεωμετρικά πρότυπα με μηχανές επιβλεπόμενης μάθησης σε ζητήματα πλοήγησης και καθοδήγησης
Authors: Φράγκος Κυριάκος 
Published: September 2021

Η παρούσα εργασία πραγματεύεται το διεπιστημονικό ζήτημα του ελέγχου ενός δυναμικού συστήματος, όπως αυτό εμφανίζεται κατά την κίνηση επίγειου οχήματος. Αναπτύσσεται αλγόριθμος που συνθέτει μεθόδους επιβλεπόμενης μηχανικής μάθησης και βελτιστοποίησης της εκτίμησης κατάστασης συστήματος, για την πλοήγηση οχήματος σε κατάσταση καθοδήγησης. Συγκεκριμένα, προτείνεται πρωτότυπη μεθοδολογία ταξινόμησης της θέσης εντοπισμού σε γραμμικά γεωμετρικά πρότυπα, όπου με την εφαρμογή- κατά την εξέλιξη της κίνησης- ενός LS SVM μοντέλου για αναγνώριση προτύπου (pattern recognition), ταυτοποιείται το γεωμετρικό προφίλ του ίχνους της τροχιάς του οχήματος, σε πραγματικό χρόνο.Με βάση μια σειρά αξιωμάτων κατηγοριοποίησης, η προτεινόμενη μηχανή εφαρμόζει ένα σχέδιο ταξινόμησης επί των παρεχόμενων εκτιμήσεων των παραμέτρων της περιστροφικής συμπεριφοράς του σώματος του οχήματος. Αυτές προκύπτουν από βελτιστοποίηση μετρήσεων αδρανειακής μονάδας τακτικού βαθμού, σε σχεδιασμό αυστηρής ολοκλήρωσης συστήματος GNSS/INS (tightly coupled integration). Το αποτέλεσμα είναι η ταξινόμηση των διαδοχικών σημείων-εκτίμηση θέσης που συνθέτουν το ίχνος της τροχιάς, σε κατάλληλα γεωμετρικά πρότυπα. Αυτά είναι γραμμικά στοιχεία όπως ευθείες γραμμές, κυκλικά τόξα και καμπύλες σύνθετου τύπου. Η επιτυχία της μεθοδολογίας έγκειται στην αξιοποίηση των ιδιοτήτων που προκύπτουν από το συνδυασμό των εκτιμήσεων θέσης και γωνιακής συμπεριφοράς. Βασικό αξίωμα κατηγοριοποίησης είναι ο ρυθμός αλλαγής της καμπυλότητας της τροχιάς, της οποίας η τιμή είναι άγνωστη κατά τη διάρκεια της κίνησης. Η μεθοδολογία αξιολογήθηκε με χρήση πραγματικών δεδομένων, που προέκυψαν από πείραμα κατά μήκος της σιδηροδρομικής γραμμής Αθήνα-Κιάτο. Με βάση τα πειραματικά αποτελέσματα, η προτεινόμενη μηχανή παρουσίασε πολύ υψηλά επίπεδα γενικευμένης απόδοσης κατά την εφαρμογή της σε άγνωστη διαδρομή, αναγνωρίζοντας το γραμμικό πρότυπο της τροχιάς σε επίπεδο 95% επί του συνόλου των σημείων-εκτίμηση θέσης που ταξινομήθηκαν σε κάποια γραμμική κλάση.Από την πρωτοτυπία της ταξινόμησης της θέσης εντοπισμού σε γραμμικά γεωμετρικά πρότυπα, προκύπτουν επιπλέον δυνατότητες καινοτομίας.Καθώς η μηχανή ταξινομεί τα σημεία εντοπισμού θέσης σε γραμμές γνωστής γεωμετρίας, ο αναδρομικός υπολογισμός της αναλυτικής έκφρασης του ίχνους της τροχιάς προσφέρει εκτιμήσεις γεωμετρικής εξομάλυνσης θέσης (position estimation smoothing) σε πραγματικό χρόνο. Ως εξομάλυνση θέσης πραγματικού χρόνου, προτείνεται ο προσδιορισμός του σημείου επί της τρέχουσας γραμμής ταξινόμησης που απέχει την ελάχιστη απόσταση από την αντίστοιχη εκτίμηση θέσης. Η εφαρμογή αυτής της καινοτομίας κάτω από συνθήκες με μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον για την περιοχή της Πλοήγησης, όπως κακής λήψης δορυφορικού σήματος ή/και ολικής απώλειάς του, έδωσε κάποια πολύ ενδιαφέροντα αποτελέσματα, ως προς τις διορθώσεις που παρείχε στις εκτιμήσεις θέσης σε πραγματικό χρόνο.Τέλος, η προτεινόμενη μεθοδολογία βρήκε ουσιαστική εφαρμογή και στην αυτόματη εξαγωγή as-built γεωμετρικών στοιχείων χάραξης οδοποιίας, σε πραγματικό χρόνο, με ακριβή προσδιορισμό των σημείων εναλλαγής τους. Με βάση την εκπαίδευσή της, η μηχανή απέδωσε το ελάχιστο εύρος εντοπισμού του - υλοποιημένου στο έδαφος - σημείου συνένωσης δύο διαδοχικών στοιχείων χάραξης σε ποσοστό 60%.