<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.3 20210610//EN" "JATS-journalpublishing1-3.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="1.3" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xml:lang="ru"><front><journal-meta><journal-id journal-id-type="publisher-id">novtexmech</journal-id><journal-title-group><journal-title xml:lang="ru">Мехатроника, автоматизация, управление</journal-title><trans-title-group xml:lang="en"><trans-title>Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie</trans-title></trans-title-group></journal-title-group><issn pub-type="ppub">1684-6427</issn><issn pub-type="epub">2619-1253</issn><publisher><publisher-name>Commercial Publisher «New Technologies»</publisher-name></publisher></journal-meta><article-meta><article-id pub-id-type="doi">10.17587/mau.23.31-36</article-id><article-id custom-type="elpub" pub-id-type="custom">novtexmech-1114</article-id><article-categories><subj-group subj-group-type="heading"><subject>Research Article</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="section-heading" xml:lang="ru"><subject>РОБОТЫ, МЕХАТРОНИКА И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="section-heading" xml:lang="en"><subject>ROBOT, MECHATRONICS AND ROBOTIC SYSTEMS</subject></subj-group></article-categories><title-group><article-title>Метод классификации рабочей зоны мобильного робота на основе анализа трехмерного облака точек</article-title><trans-title-group xml:lang="en"><trans-title>Method of Classiﬁcation the Mobile Robot Workspace Based on the Analysis of a 3D Point Cloud</trans-title></trans-title-group></title-group><contrib-group><contrib contrib-type="author" corresp="yes"><name-alternatives><name name-style="eastern" xml:lang="ru"><surname>Рыжова</surname><given-names>Т. П.</given-names></name><name name-style="western" xml:lang="en"><surname>Ryzhova</surname><given-names>T. P.</given-names></name></name-alternatives><bio xml:lang="ru"><p>канд. техн. наук, ст. науч. сотр.</p></bio><bio xml:lang="en"><p> Ph.D., Senior Researcher</p><p>Moscow, 105005</p></bio><email xlink:type="simple">tatiana281186@yandex.ru</email><xref ref-type="aff" rid="aff-1"/></contrib></contrib-group><aff-alternatives id="aff-1"><aff xml:lang="ru"><institution>Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана</institution><country>Россия</country></aff><aff xml:lang="en"><institution>Bauman Moscow State Technical University</institution><country>Russian Federation</country></aff></aff-alternatives><pub-date pub-type="collection"><year>2022</year></pub-date><pub-date pub-type="epub"><day>19</day><month>01</month><year>2022</year></pub-date><volume>23</volume><issue>1</issue><fpage>31</fpage><lpage>36</lpage><permissions><copyright-statement>Copyright &amp;#x00A9; Commercial Publisher «New Technologies», 2022</copyright-statement><copyright-year>2022</copyright-year><copyright-holder xml:lang="ru">Commercial Publisher «New Technologies»</copyright-holder><copyright-holder xml:lang="en">Commercial Publisher «New Technologies»</copyright-holder><license xlink:href="https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNotice" xlink:type="simple"><license-p>https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNotice</license-p></license></permissions><self-uri xlink:href="https://mech.novtex.ru/jour/article/view/1114">https://mech.novtex.ru/jour/article/view/1114</self-uri><abstract><p>Одной из основных и наиболее сложных задач при разработке систем автодвижения является классификация рабочей зоны мобильного робота. По результатам классификации строится локальная карта местности, с помощью которой затем осуществляется планирование траектории движения робота. В статье предложен метод классификации рабочей зоны автономного мобильного робота, перемещающегося в условиях пересеченной местности. Разработанный метод классификации основан на анализе трехмерного облака точек, полученного лазерным сканирующим 3D-дальномером. Использование сканирующего лазерного дальномера позволяет выполнять классификацию зоны движения робота в любое время суток и года. Предложен набор классификационных признаков, вычисление которых осуществляется с использованием метода наименьших квадратов и элементов теории вероятностей и математической статистики. Классификация рабочей зоны робота проводится по четырем классам: "Ровная поверхность", "Малая неровность", "Большая неровность" и "Препятствие". Каждый класс характеризует степень проходимости поверхности, по которой происходит движение робота. Результаты классификации сохраняются в виде локальной карты проходимости. В каждую ячейку такой карты записывается число, которое характеризует проходимость участка рабочей зоны, ограниченного данной ячейкой. Разработанный классификатор интегрирован в состав бортовой системы управления колесным мобильным роботом. Приведены результаты экспериментальных исследований, проведенных в условиях пересеченной местности в различное время года и суток и подтверждающие работоспособность и эффективность предложенного метода классификации. Определена точность распознавания классов рабочей зоны мобильного робота. Разработанный классификатор успешно работает в различных условиях, в том числе зимой и в сумерках, но при этом имеет ограничения при работе в условиях естественных шумов, таких как дождь, снег. Средняя точность классификации при минимальном влиянии шумов естественного происхождения составляет 92,3 %, а время выполнения каждой итерации не превышает 0,085 с, что позволяет использовать разработанный классификатор в составе бортовых систем управления автономными мобильными роботами.</p></abstract><trans-abstract xml:lang="en"><p>One of the main and most difficult tasks in the development of automotive systems is the classification of the workspace of a mobile robot. Based on the classification results, a local map of the area is built, with the help of which, then, the robot trajectory is planned. The article describes a method of classification the working area of an autonomous mobile robot moving in rough terrain. The developed classification method is based on the analysis of a three-dimensional point cloud obtained by a laser scan- ning 3D rangefinder. Using a scanning laser rangefinder allows you to classify the robots motion zone at any time of the day or year. A set of classification features is proposed, the calculation of which is carried out using the least square method and elements of probability theory and mathematical statistics. The classification of the robot workspace is carried out by four classes: "Flat surface", "Small roughness", "Large roughness" and "Obstacle". Each class characterizes the degree of passability of the robot movement surface. Classification results are saved as a local map of passability. In each cell of such a map a number is written that characterizes the passability of the region of the working area bounded by this cell. The developed classifier is integrated into the on-board control system of the wheeled mobile robot. The results of experimental studies confirming the efficiency and effectiveness of the proposed classification method are presented. The accuracy of class recognition of the mobile robot workspace has been determined. The developed classifier successfully operates in various conditions, including in winter and at dusk, but at the same time it has limitations when working in conditions of natural noise, such as rain, snow. The average classification accuracy with the minimal influence of natural noise is 92.3 %, and the execution time of each iteration does not exceed 0.085 s, which allows using developed classifier as a part of on-board control systems of autonomous mobile robots.</p></trans-abstract><kwd-group xml:lang="ru"><kwd>классификация</kwd><kwd>автономный мобильный робот</kwd><kwd>рабочая зона</kwd><kwd>облако точек</kwd><kwd>лазерный сканирующий 3D-дальномер</kwd><kwd>локальная карта проходимости</kwd><kwd>метод наименьших квадратов</kwd><kwd>дисперсия</kwd></kwd-group><kwd-group xml:lang="en"><kwd>classification</kwd><kwd>autonomous mobile robot</kwd><kwd>workspace</kwd><kwd>point cloud</kwd><kwd>laser scanning 3D rangefinder</kwd><kwd>local map of passability</kwd><kwd>rough terrain</kwd><kwd>classification features</kwd><kwd>least squares method</kwd><kwd>dispersion</kwd></kwd-group></article-meta></front><back><ref-list><title>References</title><ref id="cit1"><label>1</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Беспилотные автомобили: прошлое, настоящее и будущее // hub.forklog.com. URL: https://hub.forklog.com/bespilotnye-avtomobili-proshloe-nastoyashhee-i-budushhee/ (дата обращения 09.06.2021).</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Unmanned car: past, present and future, available at: https://hub.forklog.com/bespilotnye-avtomobili-proshloe-nastoyashhee-i-budushhee/ (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit2"><label>2</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Софрыгин А. Беспилотный автомобиль Яндекс // bеспилот: беспилотные авто и технологии, новости и каталог компаний. URL: https://bespilot.com/news/366-yandexbespilot (дата обращения 09.06.2021).</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Sophrygin A. Unmanned car Yandex, bespilot: unmanned vehicles and technologies, news and catalog of companies, available at: https://bespilot.com/news/366-yandex-bespilot (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit3"><label>3</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">"КАМАЗ" начал тестирование беспилотника // kamaz.ru: Официальный сайт ПАО "КАМАЗ". URL: https://kamaz.ru/press/news/kamaz_nachal_testirovanie_bespilotnika/ (дата обращения 09.06.2021).</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">"KAMAZ" began testing the unmanned car, kamaz.ru: Official site of KAMAZ, available at: https://kamaz.ru/press/news/kamaz_nachal_testirovanie_bespilotnika/ (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit4"><label>4</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Беспилотный автомобиль StarLine. URL: https://smartcar.starline.ru (дата обращения 09.06.2021).</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Unmanned car StarLine, available at: https://smartcar.starline.ru (In Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit5"><label>5</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Haselich M., Arends M., Lang D., Paulus D. Terrain Classification with Markov Random Fields on fused Camera and 3D Laser Range Data. URL: http://aass.oru.se/Agora/ECMR2011/proceedings/papers/ECMR2011_0025.pdf (дата обращения 27.05.2021).</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Haselich M., Arends M., Lang D., Paulus D. Terrain Classification with Markov Random Fields on fused Camera and 3D Laser Range Data, available at: http://aass.oru.se/Agora/ECMR2011/proceedings/papers/ECMR2011_0025.pdf.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit6"><label>6</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Iagnemma K., Dubowsky S. Terrain estimation for high-speed rough-terrain autonomous vehicle navigation. URL: http://robots. mit.edu/people/Karl/SPIE_02.pdf (дата обращения 27.05.2021).</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Iagnemma K., Dubowsky S. Terrain estimation for highspeed rough-terrain autonomous vehicle navigation, available at:: http://robots.mit.edu/people/Karl/SPIE_02.pdf.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit7"><label>7</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Lee S. Y., Kwak D. M. A Terrain Classification Method for UGV Autonomous Navigation Based on SURF. URL: http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=6145981 (дата обращения 27.05.2021).</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Lee S. Y., Kwak D. M. A Terrain Classification Method for UGV Autonomous Navigation Based on SURF, available at: http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=6145981.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit8"><label>8</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Nguyen D. V., Kuhnert L., Jiang T., Kuhnert K. D. A Novel Approach of Terrain Classification for Outdoor Automobile Navigation. URL: http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=5952752 (дата обращения 29.05.2021).</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Nguyen D. V., Kuhnert L., Jiang T., Kuhnert K. D. A Novel Approach of Terrain Classification for Outdoor Automobile Navigation, available at: http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=5952752.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit9"><label>9</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Laible S., Khan Y. N., Bohlmann K., Zell A. 3D LIDARand Camera-Based Terrain Classification Under Different Lighting Conditions // Proceedings of Conference: Autonomous Mobile Systems. 2012. URL: https://www.researchgate.net/publication/231681273_3D_LIDAR-_and_Camera-Based_Terrain_Classification_Under_Different_Lighting_Conditions (дата обращения 29.05.2021).</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Laible S., Khan Y. N., Bohlmann K., Zell A. 3D LIDARand Camera-Based Terrain Classification Under Different Lighting Conditions, Proceedings of Conference: Autonomous Mobile Systems, September 2012, available at: https://www.researchgate.net/publication/231681273_3D_LIDAR-_and_Camera-Based_Terrain_Classification_Under_Different_Lighting_Conditions.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit10"><label>10</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Himmelsbach M., Muller A., Luttel T., Wunsche H. J. LIDAR-based 3D Object Perception // Proceedings of 1 st International Workshop on Cognition for Technical Systems. Munich (Germany), 2008. URL: https://www.researchgate.net/publication/229018428_LIDAR-based_3D_object_perception (дата обращения 29.05.2021).</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Himmelsbach M., Muller A., Luttel T., Wunsche H. J. LIDAR-based 3D Object Perception, Proceedings of 1 st International Workshop on Cognition for Technical Systems, October 2008, Munich, Germany, available at: https://www.researchgate.net/publication/229018428_LIDAR-based_3D_object_perception.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit11"><label>11</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Woods M., Guivant J., Katupitiya J. Terrain Classification using Depth Texture Features // Proceedings of Australasian Conference on Robotics and Automation (ACRA). 2013. URL: https://www.researchgate.net/publication/273093294_Terrain_Classification_using_Depth_Texture_Features (дата обращения 31.05.2021).</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Woods M., Guivant J., Katupitiya J. Terrain Classification using Depth Texture Features, Proceedings of Australasian Conference on Robotics and Automation (ACRA), December 2013, available at: https://www.researchgate.net/publication/273093294_Terrain_Classification_using_Depth_Texture_Features.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit12"><label>12</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Kragh M., Jorgensen R. N., Pedersen H. Object Detection and Terrain Classification in Agricultural Fields Using 3D Lidar Data // Springer International Publishing Switzerland. 2015. P. 188—197.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Kragh M., Jorgensen R. N., Pedersen H. Object Detection and Terrain Classification in Agricultural Fields Using 3D Lidar Data, Springer International Publishing Switzerland, 2015, pp. 188—197.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit13"><label>13</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Reymann C., Lacroix S. Improving LiDAR Point Cloud Classification using Intensities and Multiple Echoes // Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2015). Hamburg (Germany), 2015. URL: https://www.researchgate.net/publication/308845174_Improving_LiDAR_point_cloud_classification_using_intensities_and_multiple_echoes (дата обращения 31.05.2021).</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Reymann C., Lacroix S. Improving LiDAR Point Cloud Classification using Intensities and Multiple Echoes, Proceedings of IEEE/ RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2015), September 2015, Hamburg, Germany, available at: https://www.researchgate.net/publication/308845174_Improving_LiDAR_point_cloud_classification_using_intensities_and_multiple_echoes.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit14"><label>14</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Suger B., Steder B., Burgard W. Terrain-Adaptive Obstacle Detection // Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2016). Daejeon (Korea), 2016. URL: https://www.researchgate.net/publication/312241137_Terrain-adaptive_obstacle_detection (дата обращения 31.05.2021).</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Suger B., Steder B., Burgard W. Terrain-Adaptive Obstacle Detection, Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2016), October 9—14, 2016, Daejeon, Korea, available at: https://www.researchgate.net/publication/312241137_Terrain-adaptive_obstacle_detection.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit15"><label>15</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Аппроксимация эмпирически полученной поверхности методом наименьших квадратов // Королевство Delphi. Виртуальный клуб программистов. URL: http://www.delphikingdom.com/asp/viewitem.asp?catalogid = 1368 (дата обращения 09.06.2021).</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Approximation of an empirically obtained surface by the least squares method, Korolevstvo Delphi. Virtualnyy klub programmistov, available at: http://www.delphikingdom.com/asp/viewitem.asp?catalogid = 1368 (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit16"><label>16</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Лаптев Г. Ф. Элементы векторного исчисления. М.: Наука, 1975. 336 с.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Laptev G. F. Elements of vector calculations, Moscow, Nauka, 1975, 336 p. (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref></ref-list><fn-group><fn fn-type="conflict"><p>The authors declare that there are no conflicts of interest present.</p></fn></fn-group></back></article>
