Localização e mapeamento simultâneos utilizando otimização por inteligência de enxame

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Oliveira, Pedro Jorge de Albuquerque de
Data de Publicação: 2019
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ
Texto Completo: http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/11752
Resumo: The problem known in the robotics community as simultaneous localization and mapping is of fundamental importance both in its own right and because of its potential applications in the development of autonomous robots. Indeed, the ability to acquire maps of an unknown environment through exploration has, for example, the potential to completely change the modus operandi of first responders and rescue forces in general, so much so that it may even hold the seeds for the development of completely independent robotic emergency response teams. An application that is more immediate is the adaptation of robotic systems to changes in environments that are for the most part static and known beforehand, such as the operating loci of industrial robots that may be changed at any instant by events such as the placement of movable obstacles. This dissertation presents an approach to solve the simultaneous localization and mapping problem that is based on swarm intelligence optimization methods. While many solutions exist that are based on classical Newton-like optimization techniques, relatively little work has been done with respect to the application of derivative free bioinspired techniques to this particular area of robotics. That being said, we have chosen three techniques to be the subjects of our inquiry, namely particle swarm optimization, artificial bee colony and the firefly algorithm. Furthermore, and in keeping with the intention of creating an effective solution to the problem at hand, we have made use of a pose graph based approach as a means of maintaining the consistency of our estimates across the mapping process. Systems designed to perform SLAM using pose graphs are currently the state of the art and it is our belief that a robust scan matching system is currently of the utmost importance to further the field. Throught the development of this thesis we have concluded that the ABC technique has great potential, having tested it and found it is both fast and efficient in a great range of circumstances. This affirmation is backed by the fact that in the best case scenarios we have obtained accuracy gains in between 12% and 88% regarding the translational estimates of the robot's trajectory, by using the ABC metaheuristic, when compared to state of the art techniques. The firefly algorithm, while not as accurate as the artificial bee colony technique, was faster than the aforementioned bee inspired metaheuristic on 7 out of the 8 public domain datasets. The firefly algorithm consumed, on average, only 23% of the time spent per scan processed by the artificial bee colony optimization technique. Particle swarm optimization has shown an inferior accuracy when compared to the artificial bee colony optimization technique and an intermediate processing time when compared to the other two optimization methods.
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Indeed, the ability to acquire maps of an unknown environment through exploration has, for example, the potential to completely change the modus operandi of first responders and rescue forces in general, so much so that it may even hold the seeds for the development of completely independent robotic emergency response teams. An application that is more immediate is the adaptation of robotic systems to changes in environments that are for the most part static and known beforehand, such as the operating loci of industrial robots that may be changed at any instant by events such as the placement of movable obstacles. This dissertation presents an approach to solve the simultaneous localization and mapping problem that is based on swarm intelligence optimization methods. While many solutions exist that are based on classical Newton-like optimization techniques, relatively little work has been done with respect to the application of derivative free bioinspired techniques to this particular area of robotics. That being said, we have chosen three techniques to be the subjects of our inquiry, namely particle swarm optimization, artificial bee colony and the firefly algorithm. Furthermore, and in keeping with the intention of creating an effective solution to the problem at hand, we have made use of a pose graph based approach as a means of maintaining the consistency of our estimates across the mapping process. Systems designed to perform SLAM using pose graphs are currently the state of the art and it is our belief that a robust scan matching system is currently of the utmost importance to further the field. Throught the development of this thesis we have concluded that the ABC technique has great potential, having tested it and found it is both fast and efficient in a great range of circumstances. This affirmation is backed by the fact that in the best case scenarios we have obtained accuracy gains in between 12% and 88% regarding the translational estimates of the robot's trajectory, by using the ABC metaheuristic, when compared to state of the art techniques. The firefly algorithm, while not as accurate as the artificial bee colony technique, was faster than the aforementioned bee inspired metaheuristic on 7 out of the 8 public domain datasets. The firefly algorithm consumed, on average, only 23% of the time spent per scan processed by the artificial bee colony optimization technique. Particle swarm optimization has shown an inferior accuracy when compared to the artificial bee colony optimization technique and an intermediate processing time when compared to the other two optimization methods.O problema de localização e mapeamento simultâneos é de fundamental importância tanto por suas aplicações em potencial para a construção de sistemas robóticos autônomos quanto por seu mérito próprio. De fato, a capacidade de adquirir mapas de regiões desconhecidas por meio de um processo exploratório tem, por exemplo, o potencial de alterar o modo de agir de equipes de resgate e operação em situações de emergência a tal ponto que pode ensejar a construção de equipes robóticas de resgate, que operem de modo totalmente independente, num futuro próximo. Uma aplicação mais imediata seria a ampliação da capacidade de adaptação de robôs industriais, que operam em ambientes que são, majoritariamente, conhecidos a priori e estáticos apesar de estarem sujeitos a pequenas alterações como o reposicionamento de obstáculos móveis. Nessa dissertação, apresentamos uma solução para o problema de localização e mapeamento simultâneos que se baseia na otimização por inteligência de enxame. Muito embora diversos trabalhos apliquem métodos clássicos de otimização tais como os quasi-Newton e afins, o uso de técnicas de otimização bio-inspiradas e livres de derivadas foi relativamente pouco explorado nesse campo. Dito isso, escolhemos três técnicas de otimização por inteligência de enxame, quais sejam: enxame de partículas, colônia artificial de abelhas e o algoritmo inspirado nos vaga-lumes . Além disso, e em consonância com o objetivo de construir uma solução eficiente para o problema de localização e mapeamento simultâneos, fazemos uso do conceito de grafos de poses para construir uma solução robusta. Os sistemas de localização e mapeamento simultâneos que sâo baseados em grafos de poses estão, hodiernamente, no estado da arte e acreditamos que o desenvolvimento de sistemas de processamento de varreduras robustos é de extremo valor para o avanço dessa área da robótica. Concluímos por meio dos experimentos que o uso da técnica de otimização por enxame de abelhas forneceu os resultados mais acurados dentro do escopo da estimação online. Essa constatação pode ser verificada pelo fato de que, nos melhores casos, obtivemos ganhos de acurácia entre 12% e 88% na estimativa das componentes translacionais da trajetória do robô em relação a sistemas do estado da arte pelo uso do algoritmo de otimização por colônia artificial de abelhas. O método de otimização inspirado no comportamento de vagalumes não obteve resultados tão precisos quanto os do algoritmo de otimização por colônia artificial de abelhas, entretanto em 7 dos 8 conjuntos de dados de domínio público que utilizamos ele foi o método mais veloz, consumindo, em média, apenas 23% do tempo gasto pela otimização por colônia artificial de abelhas por varredura. A otimização por enxame de partículas apresentou uma precisão inferior que a otimização por colônia artificial de abelhas, no entanto, seu consumo de tempo foi intermediário em comparação às duas outras meta-heurísticas empregadas.Submitted by Boris Flegr (boris@uerj.br) on 2021-01-06T19:17:14Z No. of bitstreams: 4 Pedro Jorge de Albuquerque de Oliveira_pt1.pdf: 5914549 bytes, checksum: bfd28d0435874c339d24df363affe5f4 (MD5) Pedro Jorge de Albuquerque de Oliveira_pt2.pdf: 15052091 bytes, checksum: 05db8baa55949b36e9c5e049cbffeb50 (MD5) Pedro Jorge de Albuquerque de Oliveira_pt3.pdf: 12525866 bytes, checksum: 78a20f3fa5c918ba41469f2d8dda0361 (MD5) Pedro Jorge de Albuquerque de Oliveira_pt4.pdf: 6608359 bytes, checksum: 6cca5fa30377bfb75e34b4d46b3f859f (MD5)Made available in DSpace on 2021-01-06T19:17:14Z (GMT). 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