Autonomous navigation and multi-sensorial real-time mocalization for a mobile robot

Doutoramento em Engenharia MecânicaO principio por detrás da proposta desta tese é a navegação de ambientes utilizando uma sequência de instruções condicionadas nas observações feitas pelo robô. Esta sequência é denominada como uma 'missão de navegação'. A interacção com um robô através de missões permitirá uma interface mais eficaz com humanos e a navegação de ambientes de maior escala e duma forma mais simplificada. No entanto, esta abordagem abre problemas novos no que diz respeito à forma como os dados sensoriais devem ser representados e utilizados. Neste trabalho representações binárias foram introduzidas para facilitar a integração dos dados multi-sensoriais, a dimensionalidade da qual foi reduzida através da utilização de Misturas de Distribuições de tipo Bernoulli. Foi também aplicada a técnica de cadeias de Markov ocultas (Hidden Markov Models), que contou com o desenvolvimento e a utilização dum modelo de cadeia de Markov original, esta que consegue explorar a informação contextual da sequência da missão. Uma aplicação que surgiu da aplicação do método de localização foi a criação de representações topologicas do ambiente sem ter que previamente recorrer à criação de mapas geométricos. Outras contribuições incluem a aplicação de métodos para a extracção de propriedades locais em imagens e o desenvolvimento de propriedades extraídas a partir de varrimentos dum medidor de distancia laser.This thesis evaluates the requisites for the specification of mobile robot 'Missions' for navigation within environments that are typically used by human beings. The principal idea behind the proposal of this thesis was to allow localization and navigation by providing a sequence of instructions, the execution of each instruction being conditional on the expected sensor data. This approach to navigation is expected to lead to new applications which will include the autonomous navigation of environments of very large scale. It is also expected to lead to a more intuitive interaction between mobile robots and humans. However, the concept of the navigation Mission opens up new problems namely in the way in which the sequence of instructions and the expected observations are to be represented. To solve this problem, binary features were used to integrate observations from multiple sensors, the dimensionality of which was reduced by modelling the binary data as a Finite Mixture Model comprised of Bernoulli distributions. Another original contribution was the modification of the Markov Chains used in Hidden Markov Models to enable the use of the sequential context in which the expected observations are specified in the navigation Mission. The localization method that was developed enabled the direct creation of a topological representation of an environment without recourse to an intermediate geometric map. Other contributions include developments that were made in the characterisation of images through the application of local features and of laser range scans through the creation of original features based on the scan contour and free-area properties