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Type: Dissertação de Mestrado
Title: Visual and inertial data fusion for Globally consistent point cloud registration
Authors: Claudio dos Santos Fernandes
First Advisor: Mario Fernando Montenegro Campos
First Referee: Alexei Manso Correa Machado
Second Referee: Erickson Rangel do Nascimento
Abstract: Este trabalho aborda o mapeamento tridimensional de ambientes estáticos utilizando um sensor RGB-D, que captura imagem e profundidade, e um sensor MARG, composto de sensores inerciais e magnetômetros. O problema do mapeamento é relevante ao campo da robótica, uma vez que sua solução permitirá a robôs navegarem e mapearem de forma autônoma ambientes desconhecidos. Além disso, traz impactos em diversas aplicações que realizam modelagem 3D a partir de varreduras obtidas de sensores de profundidade. Dentre elas, estão a replicação digital de esculturas e obras de arte, a modelagem de personagens para jogos e filmes, e a obtenção de modelos CAD de edificações antigas. Decidimos abordar o problema realizando o registro rígido de nuvens de pontos adquiridas sequencialmente pelo sensor de profundidade, usando as informações providas pelo sensor inercial como guia tanto no estágio de alinhamento grosseiro quanto na fase de otimização global do mapa gerado. Durante o alinhamento de nuvens de pontos por casamento de features, a rotação estimada pelo sensor MARG é utilizada como uma estimativa inicial da orientação entre nuvens de pontos. Assim, procuramos casar pontos de interesse considerando apenas três graus de liberdade translacionais. A orientação provida pelo MARG também é utilizada para reduzir o espaço de busca por fechamento de loops. A fusão de dados RGB-D com informações inerciais ainda é pouco explorada na literatura. Um trabalho similar já publicado apenas utiliza dados inerciais para melhorar a estimativa da rotação durante o alinhamento par a par de maneira ad-hoc, potencialmente descartando-os em condições específicas, e negligenciando o estágio de otimização global. Por utilizar um sensor MARG, assumimos que o drift do sensor é negligível em nossa aplicação, o que nos permite sempre utilizar seus dados, especialmente durante a fase de otimização global. Em nossos experimentos, realizamos o mapeamento das paretes de um ambiente retangular de dimensões 9,84m x 7,13m e comparamos os resultados com um mapeamento da mesma cena feito a partir de um sensor Zebedee, estado da arte em mapeamento 3D a laser. Também comparamos o algoritmo proposto com a metodologia RGB-D SLAM, que, ao contrário da nossa metodologia, não foi capaz de detectar a região de fechamento de loop.
Abstract: This work addresses the problem of mapping 3D static environments by using an RGBD sensor, that captures image and depth, and a MARG sensor, composed by inertial sensors and magnetometers. The approached problem is relevant to the robotics field, since its solution will allow mobile robots to autonomously navigate and map unknown environments. Besides, it has impacts on several applications that perform 3D modeling by using scans obtained from depth sensors. Amongst them, one can mention the digital replication of sculptures and art objects, the modeling of characters for games and movies, and the reconstruction of CAD models from old buildings. We have decided to address the problem by performing a rigid registration of point clouds sequentially captured by the depth sensor, posteriorly using the data provided by the inertial sensor as a guide both during the coarse alignment stage and during the global optimization of the estimated map. During the point cloud alignment based on feature matching, the rotation estimated from the MARG sensor is used as an initial estimation of the attitude between point clouds. Thereby, we seek to match keypoints considering only three translational degrees of freedom. The attitude given by the MARG is also used to reduce the search space for loop closures. The fusion of RGB-D and inertial data is still very little explored in the related literature. A similar work already published only uses inertial data to improve the attitude estimation during the pairwise alignment in an ad-hoc fashion, potentially discarding it under specific conditions, and neglecting the global optimization stage. Since we use a MARG sensor, we assume the sensor drift to be negligible for the purposes of our application, which allows us to always use its data, specially during the global optimization stage. In our experiments, we mapped the walls of a rectangular room with dimensions 9.84m x 7.13m and compared the results with a map from the same scene captured by a Zebedee sensor, state of the art in terms of laser-based 3D mapping. We also compared the proposed algorithm against the RGB-D SLAM methodology, which, unlike our methodology, was not capable of detecting the loop closure region.
Subject: Robótica
Computação
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/ESSA-9D6GLH
Issue Date: 4-Jul-2013
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