Metodologia para calibração de robôs móveis superando dificuldades oriundas do deslocamento físico em ambientes reais

Abstract

Resumo: A odometria é um dos pilares fundamentais para a navegação de robôs móveis, ainda que seja fortemente influenciada por erros sistemáticos e não sistemáticos que emergem da geometria real da base e das condições de deslocamento. Esta tese parte de uma questão central: seria possível conceber uma plataforma física fixa capaz de reproduzir, de forma controlada, condições equivalentes às de o robô se deslocar no ambiente real, permitindo avaliar o desempenho cinemático de bases diferenciais, sem que diferenças estatisticamente significativas apareçam em relação ao deslocamento efetivo? Para responder a essa pergunta, foi projetada e construída uma plataforma isostática inédita, capaz de medir em tempo real a separação entre rodas e os efeitos dinâmicos que influenciam o centro instantâneo de rotação de um DDMR. No melhor conhecimento dos autores, não há relatos prévios na literatura de uma plataforma física com essas características, especialmente concebida para medir continuamente variações de geometria durante o deslocamento. Foram conduzidos experimentos sistemáticos utilizando cinco bases robóticas distintas, analisando as estimativas oriundas da odometria, da medição estática e da medição dinâmica da separação entre rodas. A metodologia experimental incluiu a aplicação de várias rotinas de teste, além da utilização dos métodos de calibração UMBMark e erros adjuntos. A hipótese nula (??0), que postulava ausência de diferença significativa entre a condição real e a condição real-dinâmica reproduzida pela plataforma, foi formalmente testada ao longo do estudo. Os resultados mostraram que, embora a odometria e a medição estática apresentem discrepâncias relevantes, a medição dinâmica produziu estimativas altamente aderentes às medições reais, resultando em valores de teste t baixos e sem rejeição de ??0 na maior parte das bases avaliadas. Esses achados demonstram que a plataforma isostática cumpre seu propósito como ambiente controlado para calibração e análise cinemática, revelando variações sutis de geometria que métodos tradicionais não capturam. Além de validar a proposta, a pesquisa evidencia o potencial do sistema para aplicações futuras, como calibração online, integração multissensorial, fusão em SLAM e uso dos dados contínuos em modelos de aprendizado de máquina. Assim, esta tese consolida uma contribuição original para o estudo da odometria em robôs diferenciais, oferecendo um instrumento científico e experimental robusto, reprodutível e capaz de aproximar ambientes controlados das condições reais de operação

Abstract: Odometry is one of the fundamental pillars of mobile robot navigation, although it is strongly affected by systematic and non-systematic errors that emerge from the robot’s actual geometry and its motion conditions. This thesis is grounded in a central question: would it be possible to design a fixed physical platform capable of reproducing, in a controlled manner, conditions equivalent to those experienced by a robot moving in a real environment, thereby enabling the evaluation of the kinematic performance of differential-drive bases without statistically significant differences relative to actual displacement? To address this question, a novel isostatic platform was designed and constructed, capable of measuring in real time the wheel separation and the dynamic effects that influence the instantaneous center of rotation of a DDMR. To the best of the authors’ knowledge, no previous reports exist in the literature of a physical platform with these characteristics, specifically conceived to continuously measure geometric variations during motion. Systematic experiments were conducted using five distinct robotic bases, comparing estimates obtained from odometry, static measurement, and dynamic measurement of wheel separation. The experimental methodology included the application of several test routines, as well as the use of the UMBMark and adjoint-error calibration methods. The null hypothesis (??0), which posited the absence of significant differences between the real condition and the real-dynamic condition reproduced by the platform, was formally tested throughout the study. The results showed that, although odometry and static measurements exhibited relevant discrepancies, the dynamic measurement produced estimates highly consistent with the real measurements, yielding low t-test values and no rejection of ??0 for most of the evaluated bases. These findings demonstrate that the isostatic platform fulfills its purpose as a controlled environment for calibration and kinematic analysis, revealing subtle geometric variations that traditional methods do not capture. Beyond validating the proposed approach, the research highlights the potential of the system for future applications, such as online calibration, multisensory integration, SLAM fusion, and the use of continuous measurement data in machine-learning models. Thus, this thesis consolidates an original contribution to the study of odometry in differential-drive robots, offering a robust, reproducible scientific and experimental instrument capable of bringing controlled environments closer to real operating conditions