Mapeado y localización topológicos mediante información visual

En los últimos años, la solución al problema del SLAM (Simultaneous Localization and Mapping, Localización y Mapeado Simultáneo) ha sido ampliamente tratado ya que es una de las tareas más importantes dentro del campo de la robótica móvil. El SLAM consiste en crear el mapa del entorno desconocido por el cual el robot se está moviendo y, al mismo tiempo, localizar a dicho robot dentro del mapa. La gran mayoría de las soluciones aportadas por la literatura actual permiten el uso de cualquier sensor que capture información del entorno. A pesar de no ofrecer la misma precisión que un láser 3D, las cámaras están siendo cada vez más utilizadas para la resolución de problemas de SLAM y navegación además, se está produciendo un auge en el uso de cámaras omnidireccionales (cámaras que capturan imágenes de 360#) ya que la información capturada (conocida como características visuales) es mucho mayor que la que ofrece una cámara normal. Aunque se puede utilizar visión para resolver el SLAM de tipo métrico (construye mapas donde se conoce la posición exacta de los obstáculos y del robot), las soluciones que utilizan visión para resolver el SLAM topológico son más comunes. El SLAM topológico se basa en la construcción del mapa de forma similar a la forma en que los humanos nos orientamos en nuestro entorno. En el SLAM topológico se construyen mapas topológicos que representan el entorno como una serie de puntos (zonas, regiones, localizaciones) donde es posible encontrar al robot y almacenan las relaciones de vecindad entre los distintos puntos del mapa, es decir, permite conocer cómo llegar de un punto a otro del entorno. En esta tesis proponemos el uso de imágenes omnidireccionales para resolver el problema del mapeado y la localización topológica a partir de dos aproximaciones distintas: la primera desde una perspectiva incremental y no supervisada y la segunda des del enfoque del aprendizaje supervisado. El primer método que proponemos es un algoritmo de localización y mapeado topológico incremental y no supervisado basado en información viii visual. El mapa creado por dicho algoritmo es un grafo donde los puntos (zonas) del entorno se representan por nodos y las relaciones de vecindad son las aristas del grafo. Puesto que el algoritmo utiliza imágenes omnidireccionales, los nodos agrupan todas aquellas imágenes que describen la misma escena y, por tanto, comparten características visuales parecidas. Así, para la construcción de mapas topológicos con información visual, el algoritmo de mapeado topológico necesita resolver en primer lugar el problema de reconocimiento de escenas o cierre de ciclo. Nuestro algoritmo de comparación de imágenes se basa en la estructura local que forman las características visuales para establecer cuáles son los emparejamientos de características válidos. Para eliminar los falsos positivos que aparecen al emparejar las características individualmente, planteamos la utilización de grafos como estructuras que proporcionan información útil sobre las relaciones de vecindad de las características o puntos invariantes. De este modo comprobamos la consistencia no solamente de un único emparejamiento, sino la de un conjunto de características que tienen algún tipo de relación. El segundo método propuesto es un algoritmo de aprendizaje supervisado que selecciona las mejores características que describen a cada nodo y un algoritmo de localización basado en el mapa topológico aprendido. En los mapas topológicos cada nodo está compuesto por varias imágenes que describen una zona del entorno. La selección de una única imagen para definir el nodo puede no ser suficiente para describirlo en su totalidad, mientras que el uso de todas las imágenes puede consumir un tiempo prohibitivo. Nuestro método de aprendizaje del mapa topológico selecciona las mejores características (entre todas las imágenes de cada nodo) que describen a los nodos. El algoritmo de localización utiliza las características seleccionadas para determinar cuál es el nodo del mapa al que pertenece la imagen capturada. Para conseguir los mejores resultados en los dos métodos propuestos, estudiaremos diferentes algoritmos de segmentación de la imagen en regiones además de los algoritmos de extracción de características visuales más utilizados en la literatura