Probabilistic techniques in semantic mapping for mobile robotics

Los mapas semánticos son representaciones del mundo que permiten a un robot entender no sólo los aspectos espaciales de su lugar de trabajo, sino también el significado de sus elementos (objetos, habitaciones, etc.) y como los humanos interactúan con ellos (e.g. funcionalidades, eventos y relaciones). Para conseguirlo, un mapa semántico añade a las representaciones puramente espaciales, tales como mapas geométricos o topológicos, meta-información sobre los tipos de elementos y relaciones que pueden encontrarse en el entorno de trabajo. Esta meta-información, denominada conocimiento semántico o de sentido común, se codifica típicamente en Bases de Conocimiento. Un ejemplo de este tipo de información podría ser: "los frigoríficos son objetos grandes, con forma rectangular, colocados normalmente en las cocinas, y que pueden contener comida perecedera y medicación". Codificar y manejar este conocimiento semántico permite al robot razonar acerca de la información obtenida de un cierto lugar de trabajo, así como inferir nueva información con el fin de ejecutar eficientemente tareas de alto nivel como "¡hola robot! llévale la medicación a la abuela, por favor". La presente tesis propone la utilización de técnicas probabilísticas para construir y mantener mapas semánticos, lo cual presenta tres ventajas principales en comparación con los enfoques tradicionales: i) permite manejar incertidumbre (proveniente de los sensores imprecisos del robot y de los modelos empleados), ii) provee representaciones del entorno coherentes por medio del aprovechamiento de las relaciones contextuales entre los elementos observados (e.g. los frigoríficos usualmente se encuentran en las cocinas) desde un punto de vista holístico, y iii) produce valores de certidumbre que reflejan el grado de exactitud de la comprensión del robot acerca de su entorno. Específicamente, las contribuciones presentadas pueden agruparse en dos temas principales. El primer conjunto de contribuciones se basa en el problema del reconocimiento de objetos y/o habitaciones, ya que los sistemas de mapeo semántico deben contar con algoritmos de reconocimiento fiables para la construcción de representaciones válidas. Para ello se ha explorado la utilización de Modelos Gráficos Probabilísticos (Probabilistic Graphical Models o PGMs en inglés) con el fin de aprovechar las relaciones de contexto entre objetos y/o habitaciones a la vez que se maneja la incertidumbre inherente al problema de reconocimiento, y el empleo de Bases de Conocimiento para mejorar su desempeño de distintos modos, e.g., detectando resultados incoherentes, proveyendo información a priori, reduciendo la complejidad de los algoritmos de inferencia probabilística, generando ejemplos de entrenamiento sintéticos, habilitando el aprendizaje a partir de experiencias pasadas, etc. El segundo grupo de contribuciones acomoda los resultados probabilísticos provenientes de los algoritmos de reconocimiento desarrollados en una nueva representación semántica, denominada Multiversal Semantic Map (MvSmap). Este mapa gestiona múltiples interpretaciones del espacio de trabajo del robot, llamadas universos, los cuales son anotados con la probabilidad de ser los correctos de acuerdo con el conocimiento actual del robot. Así, este enfoque proporciona una creencia fundamentada sobre la exactitud de la comprensión del robot sobre su entorno, lo que le permite operar de una manera más eficiente y coherente. Los algoritmos probabilísticos propuestos han sido testeados concienzudamente y comparados con otros enfoques actuales e innovadores empleando conjuntos de datos del estado del arte. De manera adicional, esta tesis también contribuye con dos conjuntos de datos, UMA-Offices and Robot@Home, los cuales contienen información sensorial capturada en distintos entornos de oficinas y casas, así como dos herramientas software, la librería Undirected Probabilistic Graphical Models in C++ (UPGMpp), y el conjunto de herramientas Object Labeling Toolkit (OLT), para el trabajo con Modelos Gráficos Probabilísticos y el procesamiento de conjuntos de datos respectivamente