Visual control of mobile robots through multiple view geometry

摘要

La navegacion autonoma de robots moviles es un problema complejo que ha atraido la atencion de la comunidad investigadora durante las ultimas decadas. Sistemas capaces de realizar de forma eficaz y robusta la navegacion autonoma son de interes en muchas aplicaciones de la robotica: automatizacion industrial, transporte de material, la asistencia a las personas con discapacidad, etc. Con el fin de llevar a cabo la navegacion, los robots moviles necesitan interactuar con el ambiente, para lo cual hay diferentes tipos de sensores disponibles actualmente. De todos ellos, los sistemas de vision destacan debido a que proporcionan informacion muy rica y por su versatilidad y bajo coste. Esta tesis aborda el problema del control visual de robots moviles. Se considera un sistema de vision consistente en una camara fija a bordo del vehiculo. Tambien se considera el problema desde un punto de vista especifico de control visual, ya que las propuestas investigadas se basan exclusivamente en informacion visual, y por lo tanto, no es necesario el uso de odometria o sensores adicionales. Metodos que no requieran de modelos particulares del entorno o que no consideren el uso de marcas artificiales son de significativa importancia en favor de la versatilidad. Por lo tanto, se anade el requerimiento de hacer frente a entornos desconocidos no estructurados. Siguiendo esta idea, solo una imagen tomada en la posicion objetivo es necesaria para que el sistema de control lleve a cabo la tarea de navegacion autonoma. Los robots moviles y la mayoria de los vehiculos en general, conllevan restricciones de movimiento no holonomicas. Por lo tanto, las propuestas que no consideran estas limitaciones de movimiento no son adecuadas. Algunas investigaciones se han concentrado en el problema de control relacionado con las plataformas moviles y otras se han centrado en el problema visual. En esta tesis se consideran los problemas de vision y de control simultaneamente con el fin de aportar un esquema de control completo. La base del trabajo desarrollado aqui es la geometria de multiples vistas aplicada al control visual. En este marco, las principales contribuciones de esta tesis se resumen a continuacion: ? Los metodos de control visual basados en imagen disponibles en la literatura estan generalmente basados directamente en caracteristicas de imagen. Estas propuestas son generalmente sencillas, eficientes y, a veces, no calibradas. Sin embargo, estos metodos estan muy relacionados con el tipo de caracteristica seleccionada y su robustez depende directamente del comportamiento de las mismas. En esta tesis el problema del control visual se aborda aprovechando la geometria de multiples vistas. De este modo, la informacion extraida de la imagen pasa el filtro de las restricciones impuestas por el modelo geometrico, resultando en un mejor rendimiento y robustez. ? Las propuestas tradicionales reducen el control visual a la descomposicion de la geometria a traves de las diferentes vistas, extrayendo informacion metrica para ser utilizada como entrada de metodos basados en posicion. Generalmente estas propuestas requieren informacion adicional y necesitan una calibracion precisa del sistema. Esta tesis se centra directamente en la geometria de multiples vistas, proponiendose resolver la tarea de control visual directamente en terminos del modelo geometrico, evitando los inconvenientes de los metodos basados en posicion. ? Los esquemas de control visual propuestos en este trabajo se han desarrollado a partir del punto de vista de la teoria de control explotando tecnicas de control no lineal. Por otra parte, el esquema de control no esta limitado a un determinado modelo geometrico, sino que la propuesta ha sido generalizada. Asi pues, el diseno del control visual se ha aplicado con exito a diferentes modelos geometricos de multiples vistas: geometria epipolar, homografia y tensor trifocal. Los metodos propuestos han sido disenados garantizando la convergencia y la est