Autonomous vehicles navigation on external unstructured terrains based in computer vision

Este trabalho apresenta um sistema de navegação autônoma para veículos terrestres com foco em ambientes não estruturados, tendo como principal meta aplicações em campos abertos com vegetação esparsa e em cenário agrícola. É aplicada visão computacional como sistema de percepção principal utilizando uma câmera estéreo em um veículo com modelo cinemático de Ackermann. A navegação é executada de forma deliberativa por um planejador baseado em malha de estados sobre um mapa de custos e localização por odometria e GPS. O mapa de custos é obtido através de um modelo de ocupação probabilístico desenvolvido fazendo uso de uma OctoMap. É descrito um modelo sensorial para atualizar esta OctoMap a partir da informação espacial proveniente de nuvens de pontos obtidas a partir do método de visão estéreo. Os pontos são segmentados e filtrados levando em consideração os ruídos inerentes da aquisição de imagens e do processo de cálculo de disparidade para obter a distância dos pontos. Os testes foram executados em ambiente de simulação, permitindo a replicação e repetição dos experimentos. A modelagem do veículo foi descrita para o simulador físico Gazebo de acordo com a plataforma real CaRINA I (veículo elétrico automatizado do LRM-ICMC/USP), levando-se em consideração o modelo cinemático e as limitações deste veículo. O desenvolvimento foi baseado no ROS (Robot Operating System) sendo utilizada a arquitetura básica de navegação deste framework a partir da customização dos seus componentes. Foi executada a validação do sistema no ambiente real em cenários com terreno irregular e obstáculos diversos. O sistema apresentou um desempenho satisfatório tendo em vista a utilização de uma abordagem baseada em apenas uma câmera estéreo. Nesta dissertação são apresentados os principais componentes de um sistema de navegação autônoma e as etapas necessárias para a sua concepção, assim como resultados de experimentos simulados e com o uso de um veículo autônomo realThis work presents a system for autonomous vehicle navigation focusing on unstructured environments, with the primary goal applications in open fields with sparse vegetation, unstructured environments and agricultural scenario. Computer vision is applied as the main perception system using a stereo camera in a car-like vehicle with Ackermann kinematic model. Navigation is performed deliberatively using a path planner based on a lattice state space over a cost map with localization by odometry and GPS. The cost map is obtained through a probabilistic occupation model developed making use of an OctoMap. It is described a sensor model to update the spatial occupancy information of the OctoMap from a point cloud obtained by stereo vision. The points are segmented and filtered taking into account the noise inherent in the image acquisition and calculation of disparity to obtain the distance from points. Tests are performed in simulation, allowing replication and repetition of experiments. The modeling of the vehicle is described to be used in the Gazebo physics simulator in accordance with the real platform CaRINA I (LRM-ICMC/USP automated electrical vehicle) taking into account the kinematic model and the limitations of this vehicle. The development is based on ROS (Robot Operating System) and its basic navigation architecture is customized. System validation is performed on real environment in scenarios with different obstacles and uneven terrain. The system shows satisfactory performance considering a simple configuration and an approach based on only one stereo camera. This dissertation presents the main components of an autonomous navigation system and the necessary steps for its conception as well as results of experiments in simulated and using a real autonomous vehicl