Una Arquitectura Eficiente de Percepci´on de Alto Nivel

246 Pages·2003·4.52 MB·Spanish

UniversidaddeMurcia
Facultad deInforma´tica
DepartamentodeIngenier´ıayTecnolog´ıadeComputadores
TESIS DOCTORAL
Una Arquitectura Eficiente de Percepcio´n de Alto Nivel:
Navegacio´n Visual para Robots Auto´nomos en Entornos
Estructurados.
Pedro EnriqueLo´pezdeTeruelAlcolea
Directores:
AlbertoRuizGarc´ıa
Jose´ ManuelGarc´ıa Carrasco
Murcia,2003

Resumen
Estatesisdescribeeldisen˜oeimplementacio´ndeunrobotmo´vilcapazderealizarunain-
terpretacio´nestructuraldelentornousandou´nicamenteinformacio´n sensorialdetipovisual
ypropioceptivo.El comportamientodeseadoesla navegacio´n entiemporeal basada enesta
interpretacio´n,enlugardelaestrictamentereactivaalosest´ımulosinmediatos.Optamospor
un criterio dedisen˜ofundamentalmente predictivo:el sistemadebeanticipar las consecuen-
cias de sus acciones, mostrando una cierta comprensio´n predictiva de la escena en la que se
mueve.
Se proponen soluciones para todos los niveles de la percepcio´n. En las etapas inferiores
sehadesarrolladounate´cnicadeextraccio´ndesegmentosconinformacio´n decolor,degran
potencia expresiva y eficiencia computacional. Con objeto de inferir propiedades eucl´ıdeas
del espacio se presenta una coleccio´n de me´todos de autocalibracio´n que, apoya´ndose en el
formalismo de la geometr´ıa proyectiva, aprovechan tambie´n la informacio´n odome´trica del
agenteauto´nomo.Lapercepcio´ndealtonivel,finalmente,seresuelvemedianteunciclodege-
neracio´n,seguimientoycorroboracio´ndehipo´tesismodelizadorasdelentorno,quesonman-
tenidas en una representacio´ninterna estable y sintonizada con los movimientos del agente.
La principal caracter´ıstica de este mecanismo es la interaccio´n constante entre los procesos
perceptivos ascendentes, guiados por los est´ımulos sensoriales, y los descendentes,guiados
por los modelos previos. Todos estos elementos se integran en una arquitectura hardware-
software eficiente, modular y flexible, en la que accio´n y percepcio´n cooperan estrechamente
paralograrlarobustezycontinuidadnecesariasenlanavegacio´n.

Abstract
Thisthesisdescribesthedesignandimplementationofamobilerobotwhichisabletoper-
formastructuralinterpretationofindoorenvironments,usingonlyvisualandproprioceptive
sensoryinformation. The desired behaviour is real-time navigation based on this interpreta-
tion, instead of a reactive approach. We use a predictive design criterion: the system must
anticipate theconsequencesofits actions,showinga certain predictiveunderstandingofthe
sceneinwhichitmoves.
We propose solutions for all perception levels. First, we have developed a segment ex-
traction techniqueaugmentedwithcolourinformation, of remarkable expressivepowerand
computational efficiency. To infer euclidean properties of space we present a collection of
autocalibration methods based on the projective geometry formalism, taking advantage of
theodometricinformation of theautonomousagent.High level perception,finally, issolved
through generation, tracking and confirmation of hypothesis about the environment, which
are maintained in an stable internal representation tuned with the agent movements. This
mechanismischaracterizedbyaconstantinteractionbetweenthebottom-upperceptivepro-
cesses, guided by sensory stimuli, and the top-down ones, guided by the models. All these
elementsare integratedin an efficient,modular andflexible hardware-software architecture,
inwhichactionandperceptioncooperatetoachievetherobustnessandcontinuityneededby
realworldnavigation.

APaloma,elaguaquenuncafalto´ en
estatraves´ıa deldesierto.
Alamemoriademipadre.

Agradecimientos
A mis directores detesis,los doctoresA. Ruiz y J.M. Garc´ıa, por haberme guiado en esta
investigacio´nmostrandounapacienciaycomprensio´nsinl´ımites.Graciasporelconocimien-
toylaamistadquehabe´iscompartidoconmigoalolargodeestosan˜os.
A mi familia, que desde Lorca y Motril siempre estuvo ah´ı, y sin cuyo apoyo en los mo-
mentos dif´ıciles esta tesisno habr´ıa visto la luz. Gracias por no haber dejado nunca de creer
enm´ı.
A mis compan˜eros del Departamento de Ingenier´ıa y Tecnolog´ıa de Computadores, los
que esta´n y los que han sido, por hacer de cada d´ıa en la Facultad compartido con ellos un
verdadero placer. Gracias por haberme animado y ayudadoen multitud de ocasiones, y por
entenderas´ıestaprofesio´n.
Aloscompan˜erosdecomidasytertuliasdecafe´,Alberto,Juan,LorenzoyPaloma,porha-
cerdeldescansodiariounodelosmomentosma´sagradablesyenriquecedoresdelajornada.
Amisamigosdetodalavida,porrecordarmequenadaestanvaliosocomounaamistad
sincera.Mencio´nespecialparaRosen,siempredispuestoaayudarenelcacharreo.
A la comunidad del software libre, por el extraordinario apoyo que prestan d´ıa a d´ıa al
progresocient´ıfico yhaber hechoposible la existencia demaravillas comoLinux,Latex, gcc y
tantasotrasherramientassinlascuales,definitivamente,estatesisnohubiesesidotandiver-
tida.
AAlberto,lapersonaquemeensen˜o´ adisfrutardeestetrabajoyquedesdeelprincipiome
brindo´ unaamistadmuyporencimadelarelacio´nprofesional.Graciasportodoloensen˜ado
ycompartido.
Y finalmente a Paloma, por quererme sin reservas y haberme acompan˜ado en este viaje.
Vaporti.
PedroE.
Murcia,Juniode2003