Methods and algorithms of building a 3D mathematical model of the surrounding space for automatic localization of a mobile object

Abstract

EN: Context. The task of automating the positioning of a mobile object in a closed space under the condition of its partial or complete autonomy is considered. The object of study is the process of automatic construction of a 3D model of the surrounding space. Objective. The goal of the work is the develop an algorithm for creating a 3D model of the surrounding space for further localization of a mobile object in conditions of its partial or complete autonomy. Method. The results of the study of the problem of localization of a mobile object in space in real time are presented. The results of the analysis of existing methods and algorithms for creating mathematical models of the surrounding space are presented. Algorithms that are widely used to solve the problem of localization of a mobile object in space are described. A wide range of methods for constructing a mathematical model of the surrounding space has been researched – from methods that use the comparison of successive point clouds of the object of the surrounding space to methods that use a series of snapshots of characteristic points and comparison of information about them in different snapshots at points that are as similar as possible according to the parameter vector. Results. The method for three-stage construction of a 3D model of the surrounding space is proposed for solving the problem of localization of a mobile object in a closed space. Conclusions. The conducted experiments have confirmed the possibility of the proposed algorithm for three-stage construction of a mathematical model of the environment to determine the position of a mobile object in space. The methods used in the algorithm allow obtaining information about the surrounding space, which allows localizing a mobile object in a closed space. Prospects for further research may lie in the integration of information flows about the position of the object from different devices, depending on the type of data acquisition, into a centralized information base for solving a wide range of tasks performed by automatic mobile objects (robots). UK: Актуальність. Розглянуто задачу автоматизації позиціонування мобільного об’єкта в замкненому просторі при умові його часткової або повної автономності. Об’єктом дослідження є процес автоматичної побудови 3D-моделі навколишнього простору. Мета роботи – розробка методу створення 3D моделі навколишнього простору для подальшої локалізації мобільного об’єкта в умовах його часткової або повної автономності. Метод. Приведено результати дослідження проблеми локалізації мобільного об’єкта в просторі в реальному часі. Приведено результати аналізу існуючих методів та алгоритмів створення математичних моделей навколишнього простору. Описані алгоритми, які широко використовуються для вирішення проблеми локалізації мобільного об’єкта в просторі. Проведено дослідження широкого спектру методів побудови математичної моделі навколишнього простору – від методів, які використовують співставлення послідовних хмарин точок об’єкта навколишнього простору до методів, які використовують серії знімків характеристичних точок та порівнянні інформації про них на різних знімках в точках, максимально схожих за вектором параметрів. Результати. Запропоновано метод трьохетапної побудови 3D моделі навколишнього простору для вирішення задачі локалізації мобільного об’єкта в замкненому просторі. Висновки. Проведені експерименти підтвердили можливість запропонованого алгоритму трьохетапної побудови математичної моделі навколишнього середовища для визначення положення мобільного об’єкта у просторі. Методи, які використовуються в алгоритмі дозволяють отримати інформацію про навколишній простір, що дозволяє провести локалізацію мобільного об’єкту в замкненому просторі. Перспективи подальших досліджень можуть полягати в інтеграції інформаційних потоків про положення об’єкта з різних, за типом отримання даних, приладів в централізовану інформаційну базу для вирішення широкого спектру задач, які виконують автоматичні мобільні об’єкти (роботи).