پایان نامه مکان یابی و نقشه سازی همزمان با ترکیب اطلاعات سنسوری

پایان نامه مکان یابی و نقشه سازی همزمان با استفاده از ترکیب اطلاعات سنسوری

چکیده

یکی از مهمترین مسائل مطرح در ربات های متحرک مسئله مکان یابی می باشد. مکان یابی به معنای محاسبه موقعیت یک شی متحرک در محیط است. مکان یابی را می توان به صورت مطلق و نسبی انجام داد. یکی از روش های مکان یابی نسبی استفاده از بینایی ماشین می باشد. در این روش تصاویر از طریق دوربین نصب شده زیر ربات اخذ شده و در الگوریتم Optical Flow میزان حرکت بین دو فریم محاسبه می گردد. الگوریتم Optical Flow بدلیل کمبود تعداد معادلات نسبت به پارامتر های دو بعدی مورد نیاز حرکت به روش های کمکی نیاز داشته که در اینجا از روش Lucas & Kanade استفاده شده است. اطلاعات بدست آمده در این مرحله به عنوان داده های مسافت پیمایی بصری در نظر گرفته می شوند. سپس داده های بدست آمده در نمودار تشخیص نوع حرکت قرار داده می شوند. نمودار تشخیص نوع حرکت از بررسی سینماتیک ربات بکار گرفته شده و موقعیت دوربین بر روی ربات بدست می آید. داده های بدست آمده پس از اعمال در فیلتر کالمن برای نقشه سازی استفاده می شوند. پس از رسم نقشه، مکان یابی نسبت به مبداء انجام می گردد. الگوریتم پیشنهادی بر روی یک سیستم واقعی متشکل از یک ربات امدادگر و یک دوربین CCD پیاده سازی گردید. نتایج حاصل از مکان یابی ربات با این روش کارائی مناسب آن را برای کاربردهای رباتیک تائید می کند. 

مقدمه

یکی مهمترین مسائل در ربات های متحرک مکان یابی و نقشه سازی می باشد. روش های مانند بکار گیری انکدر های افزایشی و استفاده از سنسور های بر پایه اینرسی جهت انجام مکان یابی ارائه شده که هر کدام به نحوی دارای کم و کاستی و مزایایی نیز می باشند. همچنین به تازگی از بینایی ماشین و پردازش تصویر به عنوان یکی از راه های بدون تماس جهت اندازه گیری سرعت ارائه شده که در حال تکامل بوده و روش های متفاوتی نیز در این زمینه ارائه شده است که بهتر است ترکیبی از این روش ها جهت بدست آوردن نتایج مطلوب بکار گرفته شود. در فصل اول کلیاتی از مسئله مکان یابی و انواع روش های مکان یابی ارائه شده که در آن پیش زمینه ای جهت مطالب فصل های بعد ارائه گردیده است. در فصل دوم نیز کار های مرتبط معرفی شده و برخی از روش هایی که از Optical Flow برای مکان یابی ربات ها استفاده می کنند پرداخته شده است. همچنین در مورد سینماتیک ربات های متحرک بررسی انجام گرفته و در نهایت سینماتیک یک ربات دیفرانسیلی دو چرخ که یکی از متداول ترین ربات های بکار گرفته شده در زمینه ربات های هوشمند است مورد بررسی قرار گرفته است. در فصل سوم تئوری کار های انجام گرفته شده ارائه می گردد. روش هایی که جهت بدست آوردن میزان جابجایی بین دو فریم تصویر ارسالی بکار می روند بررسی شده و روش Lucas & Kanade نیز انتخاب شده است. همچنین با استفاده از الگوریتم گوشه یابی در تصویر، روش Lucas & Kanade را بهینه کرده و کار آیی آن را جهت کاربرد در مکان یابی مناسب تر کرده ایم. در نهایت خروجی الگوریتم بهینه شده بصورت میدانی ارائه شده که با استفاده از نمودار توزیع, خطاهای آن به حد اقل رسیده و خروجی برآیند آن در نمودار حوزه بندی شده, تشخیص نوع حرکت اعمال شده است. از فیلتر کالمن نیز برای حذف نویز های موجود و حرکت های ناگهانی که ناشی از خطا های الگوریتم بوده استفاده شده است. داده های بدست آمده جهت نقشه سازی استفاده شده و پس از نقشه سازی مجددا مکان یابی نسبت به مبداء انجام می گیرد. در فصل چهارم الگوریتم ارائه شده مورد آزمایش واقعی قرار گرفته و نتایج آن بررسی شده است. همچنین روش پیاده سازی و عوامل موثر در آن مورد بررسی قرار گرفته است. با بررسی عوامل موثر , خطا های موجود در سیستم بدست آمده و پس از مدل سازی مناسب تا حد امکان جبران سازی شده و خطا به حد اقل کاهش پیدا کرده است. در فصل پنجم نتیجه گیری ای از روش بدست آمده , ارائه شده و کار هایی که می توان در راستای این پروژه ادامه داد نیز بصورت کلی مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین در قسمت پیوست ساختار کلی برنامه نوشته شده جهت پیاده سازی الگوریتم مورد بررسی اجمالی قرار گرفته است. علاوه بر آن مشخصات دوربین که مهمترین قسمت سخت افزاری جهت پیاده سازی محسوب می شود نیز مورد بررسی قرار داده ایم. در نهایت نقشه های بدست آمده از مسیر های حرکتی نیز ارائه شده است. باشد که کار های انجام شده در راستای پیشرفت زمینه رباتیک مورد استفاده قرار بگیرند.