Diseño e implementación de sistema de localización y mapeo simultáneo SLAM 3D para reconocimiento de entornos mediante el uso de robot móvil

El proyecto de grado de ingeniería mecatrónica estudia los algoritmos del tipo SLAM que se basan en el diseño de un sistema que pueda hacer mapeo y localización de un entorno estructurado. Inicialmente el proyecto consta de la construcción del sistema completo tanto físico como virtual, separando la...

Full description

Autores:
Quintero Quintana, William Fernando
Tipo de recurso:
Trabajo de grado de pregrado
Fecha de publicación:
2022
Institución:
Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNAB
Repositorio:
Repositorio UNAB
Idioma:
spa
OAI Identifier:
oai:repository.unab.edu.co:20.500.12749/19139
Acceso en línea:
http://hdl.handle.net/20.500.12749/19139
Palabra clave:
Mechatronic
VSLAM 3D
Python
Matlab
Odometry
Artificial vision
Algorithm
Mobile robot
Machine theory
Robotics
Artificial intelligence
Programming (Mathematics)
Mathematical models
Programming language
Mecatrónica
Teoría de las máquinas
Robótica
Inteligencia artificial
Programación (Matemáticas)
Modelos matemáticos
Lenguaje de programación
SLAM 3D
Odometría
Algoritmo
Robot móvil
Visión artificial
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description El proyecto de grado de ingeniería mecatrónica estudia los algoritmos del tipo SLAM que se basan en el diseño de un sistema que pueda hacer mapeo y localización de un entorno estructurado. Inicialmente el proyecto consta de la construcción del sistema completo tanto físico como virtual, separando las actividades en dos. Las actividades que van con respecto a la parte del programa consistieron en la programación de un algoritmo del tipo SLAM 3D a partir del software Matlab basado en los arquetipos de implementación utilizados en el sistema de ROS. El sistema contó con una cámara Intel RealSense 435i la cual se calibró a un sistema embebido configurado a partir de la tarjeta Jetson Nano de NVIDIA y se implementó el sistema ROS para localización y mapeo. Como objetivo de estudio se buscaba realizar pruebas a partir de código de Matlab para estudiar las etapas del procesamiento de imagen recibidas por la cámara y comparar los resultados obtenidos a través de las dos implementaciones (Matlab y ROS). Las actividades con respecto a la arquitectura del sistema consistieron en la construcción de un pequeño robot terrestre del tipo diferencial que pudiera moverse de forma inalámbrica a través de un módulo HC05, se programarían comandos básicos de movimiento para que este pudiera moverse a través de una interfaz diseñada en para Android Studio.
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spelling González Acuña, Hernán00174ecd-401d-498e-913a-f03b7e06caa2Quintero Quintana, William Fernando3fe1180a-e2f2-48c1-9efe-570a3e56ed00Quintero Quintana, William Fernando [0000145250]González Acuña, Hernán [0000774774]González Acuña, Hernán [NUgEExkAAAAJ]Quintero Quintana, William Fernando [0009-0003-9198-5529]González Acuña, Hernán [0000-0003-2118-2272]González Acuña, Hernán [Hernan_Acuna2]Grupo de Investigación Control y Mecatrónica - GICYMGrupo de Investigaciones ClínicasGonzález Acuña, Hernán [hernán-gonzález-acuña]Piedecuesta (Santander, Colombia)Noviembre de 2022UNAB Campus Bucaramanga2023-02-28T12:31:48Z2023-02-28T12:31:48Z2022-12-12http://hdl.handle.net/20.500.12749/19139instname:Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNABreponame:Repositorio Institucional UNABrepourl:https://repository.unab.edu.coEl proyecto de grado de ingeniería mecatrónica estudia los algoritmos del tipo SLAM que se basan en el diseño de un sistema que pueda hacer mapeo y localización de un entorno estructurado. Inicialmente el proyecto consta de la construcción del sistema completo tanto físico como virtual, separando las actividades en dos. Las actividades que van con respecto a la parte del programa consistieron en la programación de un algoritmo del tipo SLAM 3D a partir del software Matlab basado en los arquetipos de implementación utilizados en el sistema de ROS. El sistema contó con una cámara Intel RealSense 435i la cual se calibró a un sistema embebido configurado a partir de la tarjeta Jetson Nano de NVIDIA y se implementó el sistema ROS para localización y mapeo. Como objetivo de estudio se buscaba realizar pruebas a partir de código de Matlab para estudiar las etapas del procesamiento de imagen recibidas por la cámara y comparar los resultados obtenidos a través de las dos implementaciones (Matlab y ROS). Las actividades con respecto a la arquitectura del sistema consistieron en la construcción de un pequeño robot terrestre del tipo diferencial que pudiera moverse de forma inalámbrica a través de un módulo HC05, se programarían comandos básicos de movimiento para que este pudiera moverse a través de una interfaz diseñada en para Android Studio.1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................ 12 2 OBJETIVOS .................................................................................................... 13 2.1 Objetivo general ...................................................................................... 13 2.2 Objetivos específicos ............................................................................... 13 3 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIÓN ............................. 14 4 ESTADO DEL ARTE ...................................................................................... 16 5 MARCO TEÓRICO ......................................................................................... 19 5.1 Visión por computador. ............................................................................ 19 5.2 Puntos característicos ............................................................................. 20 5.3 Robótica móvil ......................................................................................... 21 5.4 Cinemática ............................................................................................... 21 5.5 Rotaciones y traslaciones: ....................................................................... 21 5.6 Análisis de velocidades: .......................................................................... 22 5.7 Análisis de aceleraciones: ....................................................................... 22 5.8 SLAM ....................................................................................................... 23 5.9 Mapeo del terreno ................................................................................... 23 6 DISEÑO METODOLÓGICO ........................................................................... 25 6.1 Diagrama en V. ........................................................................................ 25 7 DISEÑO DEL ROBOT MÓVIL ........................................................................ 26 7.1 Configuración cinemática ........................................................................ 26 7.1.1 Robot diferencial .................................................................................. 26 7.1.2 Robot Ackerman .................................................................................. 27 7.1.3 Robot triciclo ........................................................................................ 29 7.2 Selección de la cámara ........................................................................... 30 7.3 Tarjetas de procesamiento ...................................................................... 31 7.4 Arduino para control de los motores: ....................................................... 32 7.5 Selección de las ruedas ........................................................................... 33 7.6 Selección de drivers ................................................................................ 34 7.7 Batería ..................................................................................................... 35 7.8 Selección del módulo de comunicación inalámbrico: .............................. 36 7.9 Selección de Motores .............................................................................. 36 7.9.1 Requerimientos de torque y velocidad: ................................................ 36 7.9.2 Cálculo del torque ................................................................................ 37 7.9.3 Cálculo de la velocidad ........................................................................ 37 7.10 Diseño de la estructura del robot ............................................................. 39 7.11 Ensamble ................................................................................................. 39 8 DISEÑO DEL ALGORITMO ............................................................................ 43 8.1 Extracción de puntos característicos ....................................................... 43 8.2 Cálculo de disparidad: ............................................................................. 45 8.3 Reconstrucción en 3D ............................................................................. 48 8.4 Extracción del movimiento. ...................................................................... 49 9 VALIDACIÓN DEL ALGORITMO .................................................................... 50 10 CONFIGURACIÓN DEL SISTEMA EMBEBIDO ......................................... 54 10.1 Configuración de Hardware ..................................................................... 54 10.2 Configuración de Software ...................................................................... 54 10.3 Actualización del Kernel .......................................................................... 55 10.4 Instalación de componentes de software de NVIDIA ............................... 55 10.4.1 Máquina Virtual DOCKER ................................................................ 55 10.4.2 JetPack versión 4.4.1: ...................................................................... 56 10.4.3 L4T 32.4.4: ....................................................................................... 56 10.4.4 CUDA versión 10.2: .......................................................................... 56 10.4.5 Libargus: ........................................................................................... 56 10.4.6 OpenGL® ES: .................................................................................. 56 10.5 Configuración ROS (Sistema Operativo Robótico) .................................. 56 10.5.1 Ros-versión: 1.14 (Melódico) ............................................................ 56 10.6 Configuración de rosdep .......................................................................... 57 10.7 Sensor RealSense™ SDK 2.0 ................................................................. 57 11 IMPLEMENTACIÓN EN EL SISTEMA EMBEBIDO .................................... 59 11.1 Simuladores RVIZ y Gazebo ................................................................... 59 11.2 Protocolo de comunicación en ROS ........................................................ 64 12 RESULTADOS DE LA IMPLEMENTACIÓN ............................................... 65 13 CREACIÓN DE LA INTERFAZ DE USUARIO ............................................ 69 13.1 Tabla de verdad ....................................................................................... 70 14 VALIDACIÓN EN UN ENTORNO ESTRUCTURADO ................................. 73 15 TRABAJO A FUTURO ................................................................................ 74 16 CONCLUSIONES ....................................................................................... 75 17 BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS ............................................................. 76 18 ANEXOS ..................................................................................................... 80PregradoThe mechatronics engineering degree project studies SLAM-type algorithms that are based on the design of a system that can map and locate a structural environment Initially the project consists of the construction of the complete system both physical and virtual, separating the activities in: The activities that go with respect to the part of the program consisted in the programming a SLAM 3D’s algorithm from the Matlab software based on the implementation archetypes used by the ROS system. The system had an Intel RealSense 435i camera which was calibrated by an embedded system configured from the NVIDIA Jetson Nano card and the ROS system for location and mapping was implemented. The study’s objective wants to carry out tests from Matlab code to study the stages of image processing received by the camera and compare the results obtained through the two implementations (Matlab and ROS). The activities regarding the architecture of the system consisted in the construction of a small terrestrial diferrential robot that could move wirelessly through an HC05 Bluetooth module to get basics movements commands that would be programmed so that it could move through an interface designed on Android Studio.Modalidad Presencialapplication/pdfspahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/Abierto (Texto Completo)Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 Colombiahttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Diseño e implementación de sistema de localización y mapeo simultáneo SLAM 3D para reconocimiento de entornos mediante el uso de robot móvilDesign and implementation of visual simultaneous Localization and Mapping SLAM 3D for recognize environment with a mobile robotIngeniero MecatrónicoUniversidad Autónoma de Bucaramanga UNABFacultad IngenieríaPregrado Ingeniería Mecatrónicainfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisTrabajo de Gradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1finfo:eu-repo/semantics/acceptedVersionhttp://purl.org/redcol/resource_type/TPMechatronicVSLAM 3DPythonMatlabOdometryArtificial visionAlgorithmMobile robotMachine theoryRoboticsArtificial intelligenceProgramming (Mathematics)Mathematical modelsProgramming languageMecatrónicaTeoría de las máquinasRobóticaInteligencia artificialProgramación (Matemáticas)Modelos matemáticosLenguaje de programaciónSLAM 3DOdometríaAlgoritmoRobot móvilVisión artificialBaturone, A. 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