Seguimiento de múltiples objetos en entornos interiores muy poblados basado en la combinación de métodos probabilísticos y determinísticos

Abstract

La presente tesis se encuentra enmarcada dentro del área de la robótica personal y de servicios. Es éste un área de investigación que ha tomado gran relevancia en las últimas dos décadas gracias a los continuos avances de la tecnología y su inserción en la vida diaria de la sociedad moderna. Dentro de este contexto, en la tesis se propone un nuevo algoritmo para el seguimiento de múltiples objetos ("multiple target tracking", MTT abreviadamente), concebido para su uso en entornos interiores complejos. El proceso de MTT diseñado, proporciona información completa sobre los diferentes objetos detectados en cada momento en el entorno del robot, indicando el número, posición, velocidad, camino recorrido e identidad de los mismos. Esta información es obtenida por el algoritmo de seguimiento a partir de los datos recogidos por el sistema de observación de entrada al sistema. La solución propuesta cumple todas las especificaciones establecidas por el comportamiento deseado para el seguidor: ha de tener en cuenta la incertidumbre de los modelos de estado y medida de los objetos bajo seguimiento; ha de ser flexible al uso de distintos tipos de sensores ha de poder adaptarse al tipo de información de entrada al algoritmo que proporcione el sistema (visión, ultrasonidos, infrarrojo, radio frecuencia, etc.) que conformen el sistema de observación empleado; debe ser capaz de seguir los diferentes tipos de objetos que el robot pueda encontrar en su movimiento por el entorno, independientemente de la dinámica o la forma de estos objetos; finalmente, tiene que alcanzar el nivel de robustez y fiabilidad que requiere la aplicación de robótica personal en la que se enmarca, en la cual la seguridad del propio robot y de los objetos seguidos (generalmente personas u otros robots) es una especificación básica. Para poder cumplir todas las especificaciones necesarias, el algoritmo de seguimiento diseñado en esta tesis adopta como mejor solución la combinación de métodos probabilísticos y determinísticos. De este modo, se propone un filtro de partículas como núcleo de estimación del algoritmo de seguimiento, al cual se le incorporan dos procesos de clasificación que actúan, respectivamente, como algoritmo de asociación y filtro de salida. Esta combinación da lugar al "Filtro de Partículas Extendido con Proceso de Clasificación" ("Extended Particle Filter with Clustering Process", XPFCP), nombre con el que se identifica el algoritmo propuesto por la autora para el seguimiento de múltiples objetos en entornos interiores muy poblados. El filtro de partículas permite modelar múltiples estados en una única distribución multimodal; su flexibilidad lo hace idóneo para su aplicación con distintos tipos de modelos de estado y observación. Tales características convierten a esta versión del filtro de Bayes en la más adecuada para realizar el seguimiento de múltiples objetos, con la prestación adicional de poder realizar tal tarea de seguimiento con un coste computacional prácticamente constante. La idea de usar el filtro de partículas como estimador multimodal en aplicaciones de seguimiento ya ha sido propuesta en varios trabajos previos de investigación, pero la falta de robustez del sistema así obtenido ha llevado en todos los casos a descartar estas soluciones. Esta tesis propone y demuestra que la incorporación de una parte determinística en el algoritmo de seguimiento basado en filtro de partículas añade la robustez que el estimador multimodal requiere. En el presente documento, se incluye una profunda revisión (sobre algoritmos y resultados) de los trabajos llevados a cabo por la comunidad científica en esta misma línea de investigación. Además, se muestra también un estudio exhaustivo del comportamiento del sistema de seguimiento propuesto en situaciones complejas en términos de robustez, fiabilidad, eficiencia y tiempo de ejecución. Finalmente, se realiza la comparación de la solución diseñada por la autora con dos de los algoritmos más conocidos y usados por la comunidad científica en tareas de seguimiento similares: el "Filtro de Asociación Conjunta de Datos" o "Joint Probabilistic Data Association Filter", en su versión continua (JPDAF) y muestreada (SJPDAF). Estas comparativas permiten contrastar y validar la contribución de la presente tesis en esta área de investigación.