Localización de robots móviles en entornos cerrados mediante características de audio

Abstract

When GPS is not operative in closed environments, mobile robots use different types of sensor in order to locate their position. However, the use of audiofrequency signals sensors is significative lower than other type of sensors. Audio characteristics present interesting properties and robots can obtain great advantages if there are able to process acoustics signals. The main objective of this PhD tesis is to propose and investigate acoustic models and localization systems based in the treatment of audio signals thought for mobile robots self-localization in closed enviroments.This work will help to cover a great gap in this field. In this thesis, a first experimental approach is presented for self-location systems based in proposed models to test their validity by real tests. In this work also new models with simplified hypothesis are proposed which are specially conceived for their application in location systems. First a theoretical model, based in the physical description of sound propagation is proposed, allowing a robot to locate determining the magnitude of gains for different transfer function obtained in different robot location inside an environment. Second, parametrical identification models have been also proposed which allow a robot to locate by means of a system based in the observation of the parameters variations of the models in the different robot locations and the subsequent application of a transformation function. In this research, also an audio signal filtering systems is proposed, near the Schroeder frequency that allow reducing the complexity of the proposed models. The uncertainty of the models is also studied and treated in basis of supplied information by signals acquired in a small set of labeled sampled in the working robot environment that allow the possibility of SLAM techniques usage. The validity of researched location systems is checked with the realization of experimental tests where a comparative study among them is carried out. Strong and weak points in location systems are studied. The outcome of such a study show similar results for proposed systems, but it enhances the lesser degree of uncertainty in the results yielded by the location systems based in the theoretical model than those systems based in parametric identification models. Other relevant conclusions in this research work are, apart from the validation of presented location systems, the need to detemine the orientation angle of the robot respect a known reference point due the high directionality present in the sound pressure wave that is propagated in closed environments. It is also remarkable the excellent results of the proposed functions that allow to obtaining the robot position in a closed environment through the processing of different acoustic signals features acquired by the robot. Another important conclusion to remark for the theoretical model definition is the determination of some mathematical expressions that relate the acoustic response of the environments (obtained from the Sabine's statistical model) with some parameters of such theoretical model making more practicable their application.

Los robots móviles que trabajan en entornos cerrados, en los que el uso del sistema de navegación GPS no es operativo, usan diferentes tipos de sensores para determinar su posición. No obstante, es significativa la poca utilización de los sensores de señales de audiofrecuencia si la comparamos con el grado de utilización de otros tipos de sensores. La audición presenta varias propiedades muy interesantes, y un robot que posea la capacidad de procesar señales acústicas puede obtener importantes ventajas. El objetivo principal de esta tesis es el de proponer e investigar modelos acústicos y sistemas de localización basados en el tratamiento de señales de audio y concebidos para la autolocalización de robots móviles que trabajen en entornos cerrados, que ayuden a cubrir el vacío existente en este campo. En el desarrollo de la tesis se realiza también una primera aproximación experimental de los sistemas de autolocalización basados en los modelos propuestos con objeto de comprobar su validez mediante la realización de diversos ensayos. En este trabajo se proponen nuevos modelos que contemplan diversas hipótesis simplificativas y que están concebidos especialmente para su aplicación en los sistemas de localización: un modelo teórico, basado en la descripción física de la propagación del sonido, que permite la autolocalización del robot mediante un sistema que se basa en la determinación del módulo de las ganancias de las diferentes funciones de transferencia obtenidas en las distintas posiciones del robot en el recinto, y unos modelos de identificación paramétricos, que permiten la autolocalización del robot mediante un sistema que se basa en el estudio de la variación de los parámetros de los modelos en las distintas posiciones del robot y la posterior aplicación de una función de transformación. En el trabajo realizado también se propone un sistema de filtrado de las señales de audio, situado alrededor de la frecuencia de Schroeder, que permite reducir la complejidad de los modelos propuestos, y se propone también un tratamiento de la incertidumbre de los modelos, en base a la información suministrada por diferentes señales captadas en un número reducido de muestras etiquetadas en el recinto de trabajo del robot, que permite contemplar la posibilidad de su posible utilización en técnicas de SLAM. La validez de los sistemas de localización desarrollados se comprueba con la realización de unos primeros ensayos experimentales, en los que se realiza un estudio comparativo entre ellos y se estudian los puntos fuertes y los puntos débiles de los sistemas de localización presentados. El resultado de este estudio muestra unos resultados bastante similares para los sistemas propuestos, pero pone de manifiesto el menor grado de incertidumbre en los resultados que proporciona el sistema de localización basado en el modelo teórico, respecto a los que presentan los sistemas basados en modelos de identificación paramétricos. Otras conclusiones destacables obtenidas del desarrollo del trabajo de investigación son, además de la comprobación de la viabilidad de los sistemas de localización presentados, la necesidad de determinar el ángulo de orientación del robot en el recinto respecto a algún punto de referencia conocido, debido a la elevada directividad que presenta la onda de presión sonora que se propaga en el interior de los recintos cerrados, o los buenos resultados de las funciones definidas, que permiten obtener, a partir del tratamiento de las características de las distintas señales acústicas captadas por el robot, su posición en el recinto. Otra conclusión importante a destacar deriva de que para la definición del modelo teórico, establecido en base al modelo ondulatorio, se han definido unas expresiones que relacionan la respuesta acústica de los recintos, obtenidas a partir del modelo estadístico de Sabine, con algunos de los parámetros de dicho modelo teórico, facilitando en gran medida su aplicación práctica.