Estudo de métodos de mapeamento baseados em informação visual utilizando robôs móveis em ambientes confinados
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Dissertação de mestrado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Douglas Guimarães Macharet
Gustavo Pessin
Luciano Cunha de Araújo Pimenta
Gustavo Pessin
Luciano Cunha de Araújo Pimenta
Resumo
A robótica é um dos campos mais importantes da tecnologia moderna e está cada vez mais presente no dia a dia das pessoas. A aplicação de robôs ocorre nas mais diversas áreas, sendo muitas vezes relacionada à preservação da saúde humana, em tarefas como inspeção, extração, manutenção, exploração e mapeamento. Essas atividades podem ser exaustivas e perigosas para seres humanos, principalmente em espaços que apresentam riscos, como é o caso dos ambientes confinados. Tais locais possuem entrada e saída limitadas e ventilação insuficiente para remoção de partículas, além de não serem projetados para ocupação humana contínua. Em áreas industriais e urbanas, há diversos ambientes contidos nessa categoria, como barragens, embarcações, túneis, cavernas, tubulações e galerias subterrâneas, os quais necessitam de constante inspeção e manutenção de forma a garantir o funcionamento correto. O Instituto Tecnológico Vale (ITV), em parceria com a Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), vem desenvolvendo o EspeleoRobô, cujo principal propósito consiste em reduzir eventuais riscos relacionados à presença humana em locais de difícil acesso. Uma das tarefas mais importantes do EspeleoRobô é a geração de mapas dos ambientes, essencial para o desenvolvimento de diversas aplicações na robótica móvel, como localização, navegação e planejamento de caminho, além de possíveis procedimentos de inspeções e manutenção. Dentre os sensores utilizados na reconstrução de ambientes, destacam-se as câmeras, capazes de adquirir grande quantidade de informação visual do seu entorno. Nesse contexto, o objetivo desta dissertação consiste na investigação métodos de reconstrução visual capazes de gerar mapas densos, coloridos e precisos em ambientes confinados, para fins posteriores de inspeção e análise estrutural por especialistas em espeleologia, por meio de modelos digitais e de realidade virtual. Para tal, são apresentados dois métodos: o Registro da Nuvem de Pontos, combinado com localização externa de um Filtro de Kalman Estendido (EKF), e o processo de Localização e Mapeamento Simultâneos (SLAM) com o Real-Time Appearance-Based Mapping (RTAB-Map), ambos utilizando câmeras RGB-D. Os resultados obtidos com os métodos em ambientes simulados e reais, tanto de localização quanto de mapeamento, são analisados e comparados, além dos seus respectivos tempos de processamento. Ao final, os resultados em simulação de ambos os métodos apresentaram valores muito próximos à referência utilizada e, para os ambientes reais, o RTAB-Map mostrou-se mais indicado, gerando reconstruções com menos distorções e mais próximas à referência.
Abstract
Robotics is one of the most important fields of modern technology and is increasingly present in people’s daily lives. The application of robots occurs in the most diverse
areas, often related to the preservation of human health, in tasks such as inspection, extraction, maintenance, exploration, and mapping. These activities can be exhausting and
dangerous for human beings, especially when the place presents risks, as is the case of
confined environments. Such locations have limited entry and exit, insufficient ventilation
to remove particles, and they were not even designed for continuous human occupation.
In industrial and urban areas, there are several environments included in this category,
such as dams, vessels, tunnels, caves, pipes, and underground galleries, which require constant inspection and maintenance to ensure correct operation. The Instituto Tecnol´ogico
Vale (ITV), in partnership with the Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), has
been developing the EspeleoRobˆo, whose main purpose is to reduce risks related to human
presence in hazardous areas. One of the most important tasks of EspeleoRobˆo is the map
generation of the environments, which is essential for the development of several applications in mobile robotics, such as localization, navigation, path planning, and possible
inspection and maintenance procedures. Cameras stand out among the sensors used in
the reconstruction of environments, being able to acquire much visual information from
the surroundings. In this context, the objective of this thesis is to investigate methods of
visual reconstruction able to generate dense, colored, and accurate maps in confined environments, for further purposes of inspection and structural analysis by specialists in speleology, using digital and virtual reality models. For this aim, two methods are presented:
the Point Cloud Registration, combined with an external localization with an Extended
Kalman Filter (EKF), and the Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) process
with Real-Time Appearance-Based Mapping (RTAB-Map), both using RGB-D cameras.
The localization and mapping results obtained with the methods are analyzed and compared in simulated and real environments, in addition to their respective processing times.
In the end, the results in simulation of both methods present values very close to the reference, and, for real environments, the RTAB-Map shows to be more suitable, generating more adequate reconstructions and closer to the reference.
Assunto
Engenharia elétrica, Ambientes extremos, Robôs móveis, Visão de robô
Palavras-chave
Robôs móveis, Ambientes confinados, Reconstrução visual, Registro da nuvem de pontos, RTAB-Map