RGB-Dalgılayıcılar kullanılarak eş zamanlı konum belirleme ve haritalama

Otonom mobil bir robotun bilinmeyen bir ortamda görevini yerine getirebilmesi için, aynı anda hem ortamın haritasını oluşturması hem de harita üzerindeki anlık konumunu belirlemesi gereklidir. Literatürde Eş Zamanlı Konum Belirleme ve Haritalama (Simultaneous Localization and Mapping, SLAM) olarak adlandırılan bu problem, robotik alanındaki en temel araştırma alanlarından birisidir. SLAM bağlamında, robotun ortamda gezinirken yapmış olduğu hareketlerin hesaplanması (odometri tahmini) ve ortamda daha önce bulunmuş olduğu bir alandan tekrar geçmekte olduğunun anlaşılması (döngü kapama tespiti) yetenekleri sistemin temelini oluşturur. Ortamın tutarlı bir haritasının oluşturulabilmesi için, robot hareketlerinin mümkün olduğunca düşük hata ile tahmin edilmesi ve döngü kapamaların başarılı şekilde tespit edilmesi gereklidir. Haritalanan ortam genişledikçe, bu iki temel işlevin etkili şekilde gerçekleştirilmesi daha da zorlaşmaktadır. Bu tez kapsamında, RGB-D algılayıcıdan elde edilen renk ve derinlik çerçevelerinin birlikte kullanımıyla kapalı ortamların 3 boyutlu haritalarının oluşturulması için çeşitli çalışmalar gerçekleştirilmiştir. İlk aşamada, bir analiz çalışması ile hareket tahmininin başarılı şekilde gerçekleştirilebilmesi için kullanılacak nitelik bulucu ve nitelik tanımlayıcı ikilisinin seçimi gerçekleştirilmiştir. Sonrasında, özellikle geniş ölçekli ortamlarda döngü kapamaların etkin şekilde tespit edilebilmesi için, genel ve yerel görüntü niteliklerinden faydalanan bir döngü kapama tespiti yöntemi geliştirilmiştir. Daha sonraki çalışmada ise, döngü kapama tespiti yöntemi daha hızlı ve verimli çalışması için genişletilmiştir. Bu amaçla, görüntü çerçevelerindeki yerel niteliklerin daha verimli şekilde kullanımına dayalı bir eşleşme yöntemi sisteme entegre edilmiş ve modele aykırı döngü kapama adaylarının dinamik şekilde elenmesini sağlayan bir mekanizma geliştirilmiştir. Son olarak ise, önceki çalışmalardan elde edilen birikimle, kapalı ortamların 3 boyutlu haritasını gerçek zamanlı çıkarabilen bir RGB-D SLAM sistemi geliştirilmiştir. Nitelik tabanlı hareket tahmini yapan bu sistem, genel görüntü niteliklerinin yaklaşık en yakın komşu aramasına imkân sağlayan bir ağaç yapısında indekslenmesi yoluyla döngü kapamaları tespit etmektedir. Geliştirilen yöntemlere dair sonuçlar, bu alanda yaygın olarak kullanılan veri kümeleri üzerinde gerçekleştirilen kapsamlı deneyler neticesinde, literatürde standart haline gelmiş hata metriği kullanılarak analiz edilmiştir. İlk aşamalarda geliştirilen döngü kapama tespiti yöntemi, entegre edildiği RGB-D SLAM sisteminin başarımını önemli oranda arttırmış ve geniş ortamlarda çalışabilecek düzeye gelmesini sağlamıştır. Son aşamada geliştirilen SLAM sistemi ise, CPU üzerinde gerçek zamanlı olarak hem küçük hem de geniş ortamların haritalamasını etkin şekilde yapabilmekte ve diğer gelişmiş RGB-D tabanlı haritalama sistemlerinin çoğunluğunu performans açısından geride bırakmaktadır.