Ανάπτυξη συστήματος ταυτόχρονου εντοπισμού θέσης και χαρτογράφησης με χρήση LiDAR αισθητήρα για την τρισδιάστατη αποτύπωση χώρων πολιτιστικής κληρονομιάς

Abstract

This doctoral dissertation titled 'Development of a Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) system using a LiDAR sensor for the 3D documentation of cultural heritage sites' consists of seven chapters. The first chapter provides a brief overview of the subject under study, defines some basic concepts and terms, and presents some of the fields where SLAM systems are applied. The second chapter explains the principles on which these systems operate and analyzes some historical but fundamental SLAM algorithms that served as the basis for the development of more complex, later algorithms. The third chapter presents the software implementation of the SLAM algorithm used in this dissertation, emphasizing the modern algorithms it incorporates and the way data fusion is achieved. The fourth chapter provides a detailed description of the design and development stages of the SLAM system studied in this doctoral dissertation. It covers everything from the initial selection and evaluation of suitable sensors, the configuration of the system's architecture and their integration with data collection and processing algorithms, to their incorporation into a 3D- designed and printed shell. The fifth chapter clarifies the communication methods between the various electronic components, describes the process of assigning color information to the point cloud generated by the SLAM system, and presents the graphical user interface developed for the system’s easy use by any operator. Additionally, the overall functionality of the system is explained through a flowchart. The sixth chapter evaluates the accuracy of the point cloud produced by the SLAM system developed in this dissertation. The evaluation methodologies used are described, and the results are presented in detail. The seventh chapter highlights the conclusions drawn from this research effort.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή με τίτλο «Ανάπτυξη συστήματος ταυτόχρονου εντοπισμού θέσης και χαρτογράφησης με χρήση LiDAR αισθητήρα για την τρισδιάστατη αποτύπωση χώρων πολιτιστικής κληρονομιάς» αποτελείται από 7 κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο περιγράφεται συνοπτικά το αντικείμενο μελέτης, παρατίθενται ορισμένες βασικές έννοιες και ορισμοί και παρουσιάζονται κάποια από τα πεδία που βρίσκουν εφαρμογή τα συστήματα SLAM. Στο δεύτερο κεφάλαιο επεξηγούνται οι αρχές στις οποίες βασίζονται τα συστήματα αυτά για να λειτουργήσουν και αναλύονται ορισμένοι ιστορικοί αλλά βασικοί αλγόριθμοι SLAM στους οποίος βασίστηκε η ανάπτυξη των μεταγενέστερων πιο σύνθετων αλγορίθμων. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται το λογισμικό υλοποίησης του αλγορίθμου SLAM που αξιοποιείται στην παρούσα διατριβή, με έμφαση στους σύγχρονους αλγόριθμους που ενσωματώνει και στον τρόπο με τον οποίο επιτυγχάνεται η συγχώνευση των δεδομένων. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφονται αναλυτικά τα στάδια σχεδιασμού και ανάπτυξης του συστήματος SLAM που μελετάται στην παρούσα διδακτορική διατριβή. Από την αρχική επιλογή και αξιολόγηση των κατάλληλων αισθητήρων, τη διαμόρφωση της αρχιτεκτονικής του συστήματος και τη διασύνδεσή τους με τους αλγορίθμους συλλογής και επεξεργασίας δεδομένων, έως την ενσωμάτωσή τους στο εσωτερικό ενός τρισδιάστατα σχεδιασμένου και εκτυπωμένου κελύφους. Στο πέμπτο κεφάλαιο διευκρινίζονται οι μέθοδοι επικοινωνίας των επιμέρους ηλεκτρονικών εξαρτημάτων, περιγράφεται η διαδικασία απόδοσης χρωματικής πληροφορίας στο νέφος σημείων που παράγεται από το σύστημα SLAM και παρουσιάζεται το γραφικό περιβάλλον χρήστη που αναπτύχθηκε για την εύκολη χρήση του συστήματος από οποιονδήποτε χειριστή. Επιπλέον, μέσω ενός διαγράμματος ροής, επεξηγείται η συνολική λειτουργία του συστήματος. Στο έκτο κεφάλαιο διεξάγεται η αξιολόγηση της ακρίβειας του νέφους σημείων που παράγεται από το σύστημα SLAM, το οποίο αναπτύχθηκε στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής. Περιγράφονται οι μεθοδολογίες αξιολόγησης που εφαρμόστηκαν και παρουσιάζονται αναλυτικά τα αποτελέσματα. Στο έβδομο κεφάλαιο αναδεικνύονται τα συμπεράσματα που προκύπτουν από αυτή την ερευνητική προσπάθεια.