Metodologia de autolocalização absoluta em ambientes quase-estruturados

Abstract

A localização absoluta com balizas é a solução mais adequada ao desenvolvimento de um sistema fiável, exacto e de custo relativamente baixo para a localização contínua em tempo real de robôs móveis que navegam, com velocidades de alguns metros por segundo, em ambientes (exteriores ou interiores) quase-estruturados e não muito obstruídos. Entre os métodos que recorrem a balizas, a autolocalização absoluta por triangulação possui vantagens importantes quando se pretende localizar simultaneamente vários robôs que navegam a duas dimensões, desde que a navegação se faça sobre superfícies regulares e sem desníveis pronunciados. O Algoritmo de Triangulação Geométrica está sujeito às limitações inerentes a qualquer algoritmo de autolocalização por triangulação com três balizas mas, além disso, requer uma ordenação especial de balizas e só funciona de forma consistente quando o robô se encontra dentro do triângulo formado por três balizas não colineares. Por estas razões tem sido considerado de menor interesse por vários autores. No entanto, quando comparado com os seus congéneres, o algoritmo possui vantagens que justificam a tentativa de eliminar as suas limitações específicas. Esse trabalho foi realizado, dando origem ao Algoritmo Generalizado de Triangulação Geométrica. A generalização do Algoritmo de Triangulação Geométrica teve por base um quadro de análise da autolocalização absoluta por triangulação com três balizas. Este inclui um novo método que permite, em tempo real, caracterizar incertezas de posição e de orientação e detectar situações nas quais a localização não é possível. Apresentam-se os resultados obtidos em quatro conjuntos de testes realizados – mediante a simulação por computador – com o fim de analisar e validar o Algoritmo Generalizado de Triangulação Geométrica e o novo método de caracterização das incertezas de posição e de orientação.

Absolute localization with beacons is the most adequate solution regarding the development of a reliable, accurate and relatively low cost real-time continuous localization system for mobile robots navigating, at a speed of few meters per second, in quasi-structured and not very obstructed interior or exterior environments. Among the methods that use beacons, absolute self-localization by means of triangulation has important advantages when it is necessary to simultaneously locate several robots navigating on a plane, as long as navigation occurs over even surfaces without important level changes. The Geometric Triangulation Algorithm has the restrictions that are inherent to any self-localization three-beacon triangulation algorithm but, in addition, it requires a particular beacon ordering and only works consistently when the robot lies inside the triangle formed by three non-collinear beacons. For these reasons, it has been disregarded by several authors. However, when compared to other triangulation algorithms, this one has some advantages that justify the attempt to eliminate its specific restrictions. This has been done, originating the Generalized Geometric Triangulation Algorithm. The generalization of the Geometric Triangulation Algorithm was based on an analysis framework of absolute self-localization by means of triangulation with three beacons. This analysis framework includes a new real-time method of determining the uncertainties associated with the computed position and orientation, and of detecting situations in which localization is not possible. This work also presents the results obtained in four tests made – using computer simulation – in order to analyze and validate the Generalized Geometric Triangulation Algorithm and the new method of determining position and orientation uncertainties.