I AE S In t er na t io na l J o urna l o f   Art if icia l In t ellig ence   ( I J - AI )   Vo l.  1 5 ,   No .   4 ,   A u g u s t 2 0 2 6 ,   p p .   3 8 3 6 ~ 3 8 5 2   I SS N:  2 2 5 2 - 8 9 3 8 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijai.v 15 .i 4 . p p 3 8 3 6 - 3 8 5 2           3836     J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij a i . ia esco r e. co m   Experime ntal v a li da tion o f  v isio n - b a sed hy brid nav ig a tion for  diff er ential - d riv e  ro bo ts       T ha nh   Q ua ng   Duc  L e 1 ,   T ro ng   H ieu Lu u 2   1 F a c u l t y   o f   El e c t r i c a l   a n d   El e c t r o n i c s   En g i n e e r i n g ,   V i n h   L o n g   U n i v e r s i t y   o f   Te c h n o l o g y   E d u c a t i o n ,   V i n h   L o n g ,   V i e t n am   2 C o l l e g e   o f   E n g i n e e r i n g ,   C a n   T h o   U n i v e r si t y ,   C a n   T h o ,   V i e t n am       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   No v   1 1 ,   2 0 2 5   R ev is ed   J u l 1 1 ,   2 0 2 6   Acc ep ted   J u l 2 1 ,   2 0 2 6       Re li a b le  m o b il e - ro b o t   d e p lo y m e n t  re q u ires   m a p p in g ,   l o c a li z a ti o n ,   g l o b a l   p lan n in g ,   a n d   re a l - ti m e   o b sta c le  a v o id a n c e   to   o p e ra te  c o n siste n tl y   u n d e r   se n so r  n o ise   a n d   p h y sic a l  c o n stra in ts.  T h is  st u d y   p re se n ts  a   v is io n - b a se d   h y b rid   n a v i g a ti o n   fra m e wo rk   f o r  a   d iffere n ti a l - d r iv e   m o b il e   r o b o t  i n   a   wa re h o u se - li k e   e n v ir o n m e n t .   Th e   m a in   c o n tri b u ti o n   li e s  in   th e   sy s tem - lev e l  in teg ra ti o n   a n d   e x p e rime n tal  v a li d a ti o n   o f  e sta b li s h e d   tec h n i q u e s  r a th e r  th a n   th e   d e v e l o p m e n t  o f  a   n e w  sta n d a lo n e   n a v ig a ti o n   a l g o rit h m .   A  c e il in g - m o u n te d   c a m e ra   c o n v e rts  t o p - v ie w  ima g e s  in to   a n   o c c u p a n c y - g ri d   m a p   a n d   wo rld   c o o r d i n a tes ,   wh i le  a   c o n v o lu ti o n a l   n e u ra l  n e two r k   (CNN )   re c o g n ize s  g o a l  m a rk e rs.  Od o m e try – a u g m e n ted   re a li ty   U n iv e rsit y   o f   Co r d o b a   ( ArU c o )   fu sio n   is  u se d   t o   c o rre c t  a c c u m u late d   lo c a li z a ti o n   d rift .   P a rti c le  sw a rm   o p ti m iza ti o n   (P S O)   g e n e ra tes   sm o o th   g lo b a l  p a t h s  o ffli n e ,   wh e re a s  th e   d y n a m ic  wi n d o w  a p p r o a c h   (DW A)   p e rfo rm s  re a l - ti m e   lo c a l  m o ti o n   c o n tr o l .   Ex p e rime n ts  in   a   3 . 3   m   ×   2 . 4   m   wo rk sp a c e   a c h iev e d   a v e ra g e   o b sta c le - lo c a li z a ti o n   e rro rs  o f  0 . 9 5 9   c m   a n d   0 . 6 9 6   c m   a lo n g   th e   x -   a n d   y - a x e s,   re sp e c ti v e ly ,   a n d   a   g o a l - re c o g n it i o n   a c c u ra c y   o f  9 9 % .   Th e   DWA  c o n tro ll e r   re q u ired   1 2 . 6 1 ±2 . 4 2   m s  p e r   c y c le,  wh il e   ra p id l y - e x p lo ri n g   ra n d o m   tree   ( RRT )   a n d   P S O  re q u ire d   4 – 7   s  a n d   4 7 7 – 6 9 2   s,   re sp e c ti v e ly ,   f o r   g lo b a l   p a t h   g e n e ra ti o n .   S imu latio n   a n d   p h y sic a l  e x p e rime n ts  c o n firme d   c o l li sio n - fre e   n a v ig a ti o n   a n d   su c c e ss fu l  q u ick   r e sp o n se   ( QR ) - c o d e - b a se d   g o o d s   i n sp e c ti o n ,   d e m o n stra ti n g   t h e   fe a sib il it y   o f   th e   p ro p o se d   fra m e wo rk   f o r  sm a ll ,   stru c tu re d   in d o o r  e n v ir o n m e n ts.   K ey w o r d s :   Au to n o m o u s   m o b ile  r o b o t   Dy n am ic  win d o w  a p p r o ac h   Par ticle  s war m   o p tim izatio n   Sen s o r   f u s io n   s y s tem   Vis io n - b ased   n av ig atio n   s y s tem   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   T r o n g   Hieu   L u u   C o lleg e  o f   E n g i n ee r in g ,   C an   T h o   Un iv er s ity   3 /2   s tr ee t,  Nin h   Kieu   W ar d ,   C an   T h o   C ity ,   Vietn am   E m ail:   lu u tr o n g h ieu @ ctu . ed u . v n       1.   I NT RO D UCT I O N    Path   p lan n in g   is   a  co r e  task   i n   au to n o m o u s   r o b o t  n a v ig atio n ,   wh er e  a  co llis io n - f r ee   r o u t e  m u s t  b e  g en er ated   f r o m   a  s tar t  p o in t  to   a  tar g et  in   a  clu tter ed   en v ir o n m en t.  E x is tin g   ap p r o ac h e s   in clu d e  h eu r is tic   s ea r ch ,   in tellig en t  o p tim izatio n ,   an d   r ein f o r ce m en t  lear n in g ,   an d   ea c h   m eth o d   in v o lv es  tr ad e - o f f s   i n   co m p u tatio n   tim e,   ad ap ta b ilit y ,   an d   p ath   q u ality .   Am o n g   class ical  m eth o d s ,   ∗   is   wid ely   u s ed   b ec au s e  it  co m b in es  g r ap h   s ea r ch   with   h eu r is tic  g u id an ce ,   p r o v id i n g   ef f icien t  s h o r test - p ath   s ea r ch   an d   p r ac tical   p er f o r m an ce   in   s tatic  m ap s .   Pre v io u s   s tu d ies  r ep o r te d   f ast   s ea r ch   s p ee d   [ 1 ] – [ 3 ] ,   h ig h   s u cc ess   r ate  [ 4 ] ,   a n d   im p r o v e d   p ath   s m o o th in g   p e r f o r m a n ce   [ 5 ]   f o r   ∗   in   s tr u ctu r ed   en v ir o n m e n ts ,   b u t  its   e f f ec tiv en ess   ca n   d ec r ea s e  in   lar g e - s ca le  o r   d y n am ic  s ce n es th at  r eq u ir e  f r eq u en t r ep lan n i n g .   T o   im p r o v e  f lex i b ilit y ,   o p ti m izatio n - b ased   alg o r ith m s   s u ch   as  ar tific ial  p o ten tial  f i eld   ( APF) ,    g en etic  alg o r ith m   ( GA) ,   an d   a n t  co lo n y   o p tim izatio n   ( AC O)   h av e  b ee n   in v esti g ated .   APF  is   co m p u tatio n ally   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8       E xp erimen ta l v a lid a tio n   o f v is io n - b a s ed   h yb r id   n a vig a tio n   f o r   d iffer en tia l   …  ( Th a n h   Qu a n g   Du c  Le )   3837   lig h t  an d   r esp o n d s   q u ick l y   [ 6 ] ,   [ 7 ] ,   an d   g o o d   s u cc ess   r ates  h av e  b ee n   r e p o r ted   th r o u g h   p r o p er   p ar a m eter   tu n in g   [ 8 ] – [ 1 0 ] ,   b u t  lo ca l  m in i m a  m ay   o cc u r   i n   co m p lex   o b s tacle   co n f ig u r atio n s   [ 1 1 ] .   GA  ca n   ex p lo r e  a  wid e   s o l u t i o n   s p ac e   a n d   p r o d u c e   n e a r - o p t i m a l   p a t h s   [ 1 2 ] ,   [ 1 3 ]   w i th   d y n a m i c   o b s t a c l e   a v o i d a n c e   c a p a b i l i t y   [ 1 4 ] ,   [ 1 5 ] ,   alth o u g h   co n v er g e n ce   ca n   b e  s lo w  o r   p r e m atu r e  wh e n   p o p u latio n   d iv er s ity   is   in s u f f icie n t.   AC O  ca n   ac h iev e   h ig h   s ea r ch   e f f icien cy   [ 1 6 ]   an d   g en e r ate  s m o o th   p ath s   [ 1 7 ] – [ 1 9 ] ,   b u t  it  m ay   s u f f er   f r o m   s u b o p tim al  co n v er g en ce   [ 2 0 ]   an d   in cr e ased   co m p u tatio n al  co s t  in   lar g e  p r o b lem s   d u e   to   p h er o m o n e  u p d ates.   R ein f o r ce m en t  lear n in g   h as  also   b ee n   ap p lied   to   n a v ig atio n ,   wh er e  Q - lear n in g   ca n   lear n   p o licies  th r o u g h   in ter ac tio n   with o u t   a  co m p let e  m o d el  a n d   m ay   c o n v e r g e  u n d er   ce r tain   co n d itio n s   [ 2 1 ] – [ 2 3 ] ;  h o wev er ,   s lo w   co n v er g en ce   [ 2 4 ] ,   s en s itiv ity   t o   lo ca l  o p tim a  [ 2 5 ] ,   an d   r e d u c ed   ef f icien c y   in   h ig h - d im en s i o n al  s p ac es  r em ain   co n ce r n s .   Mo n te  C ar lo - b ased   m eth o d s ,   s u ch   as  Mo n te  C ar lo   tr ee   s ea r ch   ( MCTS )   an d   its   v ar ian ts ,   ca n   im p r o v e  g lo b al  s ea r ch   a n d   co n v er g e n ce   p r o p er ties   [ 2 6 ] – [ 2 9 ] ,   b u t  th ey   s till   r eq u ir e  ex ten s iv e  co m p u tatio n   an d   m ay   b e  lim ited   in   s tr ict  r ea l - tim e  s ettin g s .   Alth o u g h   th e   alg o r ith m s   h av e   ac h iev ed   r em a r k ab le   p r o g r es s   in   n a v ig atio n   r esear ch ,   m o s t  o f   th em   ar e  s till   v alid ated   o n ly   th r o u g h   s im u latio n   o r   b e n ch m ar k   ch allen g e   p r o b lem s .   I n   p r ac tice,   m o b ile   r o b o ts   o p er atin g   i n   r ea l - wo r l d   en v ir o n m e n ts — s u ch   as  war eh o u s es  o r   f ac to r ies — m u s t  d ea l  with   u n ce r tain   p e r c e p t i o n ,   s e n s o r   n o is e ,   a n d   d y n a m i c   o b s t ac l es .   U n d e r   s u c h   c o n d i t i o n s ,   t r a d i t i o n al   o r   p u r e ly   s i m u l at i o n - b a s ed   alg o r ith m s   o f ten   f ac e  d if f ic u lties   in   m ain tain in g   s m o o th   m o tio n ,   s tab le  lo ca lizatio n ,   an d   ad ap tiv e  g o al  r ec o g n itio n .   T h is   g ap   h ig h lig h ts   th e  n ec ess ity   f o r   a  m o r e  i n teg r ated   an d   ex p er im en tally   v alid ated   n av i g atio n   f r am ewo r k   th at  co m b in es th e  s tr en g th s   o f   o p tim izatio n ,   p e r c ep tio n ,   an d   co n tr o l.   T o   ad d r ess   th e  g a p   b etwe e n   th eo r etica l  p ath   p lan n i n g   an d   p r ac tical  d ep lo y m en t,   th is   s tu d y   in tr o d u ce s   a n   in te g r ated   v is io n - b ased   n av ig ati o n   f r am ew o r k .   T h e  s y s tem   i n teg r ates  g lo b al  p lan n in g   v ia   p ar ticle  s war m   o p tim izatio n   ( PS O)   an d   r ea l - tim e  lo ca l  co n t r o l  u s in g   th e   d y n am ic  win d o w  ap p r o ac h   ( DW A) .   T h e  m ain   co n tr i b u tio n   o f   th is   wo r k   lies   in   th e  s y s tem - l ev el  in teg r atio n   an d   ex p e r im en tal  v alid atio n   o f   estab lis h ed   n av ig atio n   tech n iq u es  r ath er   th a n   th e   d e v e lo p m en t   o f   a  f u n d am en tall y   n ew   alg o r ith m .   Sp ec if ically ,   th e  p r o p o s ed   f r a m ewo r k   as f o llo ws:   −   C o n v er ts   ce ilin g - ca m e r a  im ag es  in to   o cc u p a n cy - g r id   m ap s   an d   wo r ld   co o r d in ate s   wh ile  u s in g   co n v o l u tio n al  n e u r al  n etwo r k   ( C NN ) - b ased   r ec o g n itio n   to   id en tify   n av i g atio n   tar g ets .   −   C o m b in es  o f f lin e  PS O  g lo b al  p lan n in g ,   r ea l - tim e  DW A  lo c al  co n tr o l,  an d   o d o m etr y – a u g m en ted   r ea lity   Un iv er s ity   o f   C o r d o b a  ( A r Uco )   f u s io n   f o r   s m o o th   n av ig atio n   an d   d r if t c o r r ec tio n .   −   Valid ates  th e  co m p lete  s y s tem   th r o u g h   s im u latio n   an d   r e al - wo r ld   ex p er im en ts   in v o lv i n g   au to n o m o u s   n a v i g a ti o n ,   g o o d s   i n s p e cti o n ,   a n d   q u ic k   r esp o n s e   ( QR ) - c o d e   r ec o g n i ti o n   i n   wa r e h o u s e - li k e   e n v ir o n m e n t .       2.   M E T H O D   2 . 1 .     Sy s t e m   o v er v iew   T h e  in tellig en t  co n tr o l  alg o r it h m   is   d esig n ed   t o   p er f o r m   h i g h - lev el  d ec is io n - m ak in g   an d   tr ajec to r y   g en er atio n   f o r   th e  m o b ile  r o b o t,  as  in   Fig u r e  1 .   I n   th is   s tu d y ,   a   PS O  alg o r ith m   is   ad o p t ed   to   d eter m in e  t h e   o p tim al  r o b o t   b eh a v io r   an d   n a v ig atio n   p ath   in   t h e  war e h o u s e  en v ir o n m e n t.  T h e  PS O  m o d u le  p r o ce s s es  g lo b al   in f o r m atio n   to   p lan   co llis io n - f r ee   an d   ef f icien t  tr ajec to r ies,  wh ich   ar e  th en   tr an s m itted   wi r eless ly   to   th e  r o b o t  p latf o r m   f o r   e x ec u tio n .   Ad d iti o n ally ,   a  ce ilin g - m o u n ted   ca m er a  is   u tili ze d   to   m o n ito r   th e  r o b o t ’ s   p o s itio n   in   r ea l tim e,   p r o v id in g   f ee d b ac k   o n   g lo b al  lo ca lizatio n   an d   en s u r in g   th at  th e  r o b o t a cc u r ately   f o llo ws th e  d esire d   tr ajec to r y   with in   th e  o p er atio n al  ar ea .           Fig u r e  1 .   I n tellig en t c o n tr o l f r am ewo r k   f o r   th e  two - wh ee led   d if f er en tial - d r iv e  m o b ile  r o b o t       T h e  r o b o t  p latf o r m   is   r esp o n s ib le  f o r   lo w - le v el  m o tio n   co n tr o l  an d   r ea l - tim e   o p er ati o n   o f   th e   d if f er en tial - d r iv e  m o b ile  r o b o t.  A   p r o p o r tio n al – in te g r al – d er iv ativ e  ( PID )   co n t r o ller   r eg u lates  th e  wh ee l  v elo cities  to   ac h iev e   s m o o th   a n d   s tab le  m o tio n   b ased   o n   th e   r ef er en ce   tr ajec to r y   r ec eiv e d   f r o m   t h e  h ig h - lev el   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell ,  Vo l.  1 5 ,   No .   4 ,   Au g u s t 2 0 2 6 :   3 8 3 6 - 3 8 5 2   3838   co n tr o ller .   T h e  r o b o t  in teg r ates  m u ltip le  o n b o ar d   s en s o r s ,   in clu d in g   a  lig h t  d etec tio n   an d   r an g in g   ( L iDAR )   s en s o r   f o r   o b s tacle   d etec tio n   an d   av o id a n ce ,   an d   wh ee l  en co d er s   f o r   v elo city   a n d   d is p l ac em en t  f ee d b ac k .   T h ese  s en s o r   d ata   ar e  c o n tin u o u s ly   ex c h an g e d   with   t h e  h i g h - lev el  co n tr o ller   to   u p d ate   th e  en v ir o n m en t   m ap   an d   ad ju s t  th e  r o b o t’ s   m o v e m en t  d y n a m ically .   T h is   clo s ed - lo o p   c o n tr o l  s tr u ctu r e  en s u r es  ac cu r ate  v elo city   tr ac k in g ,   e f f ec tiv e  o b s tacle   av o id an ce ,   an d   s af e  au to n o m o u s   n av ig atio n   in   war e h o u s e   en v ir o n m en ts   f o r   au to m ated   g o o d s   tr a n s p o r tatio n .     2 . 2 .     Velo cit y   co ntr o l   a nd   po s e  estim a t io n o f   t he  m o bil e  r o bo t   2 . 2 . 1 .   K inem a t ic   m o del o f   t h e  diff er ent ia l - driv e  m o bil e  r o bo t   T h e  m o b ile  r o b o t  u s ed   in   th i s   s tu d y   is   a  d if f er en tial - d r iv e   ty p e  eq u ip p e d   with   two   in d ep en d en tly   d r iv en   wh ee ls   s ep ar ated   b y   a  f ix ed   d is tan ce   ,  wh er e     th e  m id p o in t  b etwe en   t h e  wh ee ls .   T h e   lin ea r   v elo city   o f   th e  lef t  wh ee l  an d   r ig h t  w h ee l  ar e    an d   ,   r esp ec tiv ely .   R o b o t  m o v es  f o r war d ,   b ac k w ar d   an d   r o tates   ar o u n d   its   in s tan tan eo u s   ce n te r   o f   cu r v atu r e  ( I C C )   as sh o wn   in   Fig u r e  2 .             Fig u r e  2 .   Kin em atic  a n d   o d o m etr y   m o d el  o f   a  d if f er e n tial - d r i v e  m o b ile  r o b o t       T h e  r o b o t lin ea r   a n d   an g u lar   v elo city   ar e  ca lcu lated   b y   ( 1 )   a n d   ( 2 ) .       = + 2   ( 1 )     = −   ( 2 )     T h e  r o b o t   p o s e   in   th e  g l o b al   f r am e   is   d escr ib e d   b y   t h e  v ec to r   = [ , , ] ,   wh er e   ( , )   r ep r esen ts   th e   p o s itio n   o f   p o in t    an d     th e  h ea d in g   an g le.   T h e  r o b o t’ s   k in em atic  m o d el  ca n   b e  ex p r ess ed   as   ( 3 ) .     { ̇ =   ̇ =  ̇ =   ( 3 )     O v er   a  s am p lin g   ∆ ,   m o b ile  r o b o t in   th e  g lo b al  f r am e  ca n   b e  d e s cr ib ed   as   ( 4 ) .     { + 1 = +  ∆ + 1 = +  ∆ + 1 = + ∆   ( 4 )     2 . 2 . 2 .   Velo cit y   c o ntr o l us ing   pro po rt io na l – inte g ra l – deriv a t iv e     T o   m ain tain   ac cu r ate  an d   s tab le  m o tio n ,   a  PID   co n tr o ller   is   im p lem en ted   f o r   ea ch   wh e el  m o to r .   E n co d er   f ee d b ac k   p r o v id es  t h e  ac tu al  wh ee l  v elo cities    an d   ,   wh ile  th e  co n tr o ller   en s u r es  th at  th ey   f o llo w  th e  r ef e r en ce   v elo cities    an d   .   T h e  d is cr ete  PID   co n tr o l la w  is   ca lcu lated   as   ( 5 ) .     [ ] = [ ] + ∆ ∑ [ ] = 0 + [ ] − [ − 1 ] ∆   ( 5 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8       E xp erimen ta l v a lid a tio n   o f v is io n - b a s ed   h yb r id   n a vig a tio n   f o r   d iffer en tia l   …  ( Th a n h   Qu a n g   Du c  Le )   3839   W h er e   [ ]   is   th e  d esire d   v el o city   at  s am p le   ;  [ ] = [ ] − [ ]   is   th e   v elo city   er r o r   at   s am p le  ;  ∈ { , }   is   lef t o r   r ig h t w h ee l ; a n d   , ,   ar e   p r o p o r tio n al,   in teg r al,   a n d   d e r iv ativ e  g ain s ,   r esp ec tiv ely .   T h e  PID   o u tp u t   [ ]   g en er ates  th e  m o to r   co m m an d   s ig n al  ( e. g . ,   PW M  d u ty   cy cle) .   B o th   w h ee l   co n tr o ller s   o p er ate  s im u ltan e o u s ly   to   ac h iev e  s m o o th   lin ea r   v elo city   an d   a n g u lar   v elo cit y   ,   wh ich   a r e  th e n   u s ed   b y   th e  DW A  f o r   r ea l - t im e  tr ajec to r y   tr ac k in g .   T o   en s u r e  f ea s ib le  m o tio n ,   th e  f o llo win g   d y n am ic   co n s tr ain ts   ar e  ca lcu lated   ( 6 ) .       { | − | ≤ ( )  ∆ | − | ≤ ( )  ∆   ( 6 )     W h er e  ( )    an d   ( )    ar e  th e  r o b o t’ s   m ax im u m   lin ea r   a n d   a n g u lar   ac ce ler atio n s .     2 . 2 . 3 .   O do m e t ry - ba s ed  po s e  estim a t io n   T h e  r o b o t’ s   p o s e  is   esti m at ed   f r o m   wh ee l  en c o d er   r ea d in g s   u s in g   o d o m etr y .   T h e  i n cr em en tal  d is p lace m en ts   o f   th e  lef t  an d   r ig h t  wh ee ls   in   a  s am p lin g   in ter v al  ar e  Δ   an d   Δ .   T h e  r o b o t ’ s   m o tio n   in cr em en ts   ar e  ca lcu lated   as   ( 7 )   an d   ( 8 ) .     ∆ = ∆ + ∆ 2   ( 7 )      = ∆ − ∆   ( 8 )     T h e  u p d ated   p o s e  is   g iv en   b y   ( 9 ) .     { + 1 = + ∆ ⋅  ( + 2 ) + 1 = + ∆ ⋅  ( + 2 ) + 1 = +   ( 9 )     2 . 3 .     M o bil e  ro bo t   pa t h pla n nin g   2 . 3 . 1 .   G lo ba l pa t h pla nn ing   us ing   pa rt icle  s wa rm   o ptim iza t io n   Glo b al  p ath   p lan n in g   is   an   ess en tial  p r o b lem   in   m o b ile  r o b o t  n av ig atio n ,   esp ec ially   in   co m p lex   en v ir o n m en ts   th at  co n tain   m u ltip le  o b s tacle s .   I n   th is   s tu d y ,   th e  PS O  [ 3 0 ]   alg o r it h m   is   ap p lied   to   g en er ate  a n   o p tim al  p ath   f r o m   th e   s tar tin g   p o in t  to   th e  tar g et  p o in t  wh ile  en s u r in g   th at  th e  r o b o t  av o id s   co llis io n s   with   o b s tacle s   d u r in g   m o tio n .   T h e   g lo b al  p at h   p lan n in g   p r o ce s s   ca n   b e  d escr ib ed   as  f in d in g   a  s et    o f   d is cr ete   p o in ts   g en er ated   b y   th e  r o b o t a s   it  m o v es  th r o u g h   th e  en v ir o n m en t,  wh er e  ea ch   c o n s ec u tiv e  s eg m en t  b etwe en   p o in ts   d o es n o t i n ter s ec t a n y   s tatic  o b s tacle .   T h e  s et  o f   p o in t s     ca n   b e  r e p r esen ted   as  ( 1 0 ) .     = { , 1 , 2 , … , , }   ( 1 0 )     T h e  to tal  p ath   le n g th   is   ca lcu l ated   as   ( 1 1 ) .     = ∑ ( , + 1 ) − 1 = 1   ( 1 1 )     W h er e    is   th e  s tar t  p o in t;    is   th e  tar g et   p o i n t;  ( 1 , 2 , … , )   is   th e  s eq u e n ce   o f   in ter m e d iate  p o i n ts   in   t h e  en v ir o n m en t;  ( , + 1 )   is   th e  d is tan ce   b etwe en   co n s ec u tiv e  p o in ts ;    an d   + 1 ,   an d     is   th e  to tal  n u m b e r   o f   p o i n ts   in   th e  s et  .   T o   m ak e  th e  g lo b al  p ath   s m o o th er   an d   m o r e  s u itab le  f o r   a  m o b ile  r o b o t,  a  cu b ic  s p lin e  in te r p o latio n   m eth o d   is   ap p lied   to   o p tim iz e  th e  p ath .   T h is   p r o ce s s   r ed u ce s   s h ar p   tu r n s   an d   cr ea tes  a  co n tin u o u s ,   s m o o th   cu r v e.   T h e  p r o ce d u r e  f o r   g e n e r atin g   th e  cu b ic  s p lin e  p ath   b e twee n   two   p o in ts     an d   + 1   is   as f o llo ws:   i)   Gen er ate    in ter p o lated   p o in ts   b etwe en   ea ch   p air   o f   p o in ts     an d   + 1   u s in g   c u b ic  s p lin e  in ter p o la tio n .   ii)   C o n n ec t a ll in ter p o lated   p o in t s   ( 1 , 2 , … , )   to   o b tain   a  c o n tin u o u s   cu b ic   s p lin e  p ath .   iii)   T h e  lo ca l sp lin e  len g t h   ( , + 1 )   b etwe en   two   p o in ts     an d   + 1 is   is   ca lcu la ted   as   ( 1 2 ) .     ( , + 1 ) = ∑ ∆ = ∑ √ ( ∆ ) 2 + ( ∆ ) 2 − 1 = 1 − 1 = 1   ( 1 2 )     Fin ally ,   th e  to tal  cu b ic  s p lin e   p ath   len g th     ca n   b e   ex p r ess ed   as   ( 1 3 ) .   T h is   cu b ic  s p lin e - b ased   o p tim izatio n   en s u r es  th at  th e   g lo b al  p ath   i s   s m o o th ,   c o n tin u o u s ,   a n d   f ea s ib le  f o r   r ea l - tim e  n av ig atio n   o f   th e   d if f er en tial - d r iv e  m o b ile  r o b o t.     = ∑ C ( , + 1 ) − 1 = 1   ( 1 3 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell ,  Vo l.  1 5 ,   No .   4 ,   Au g u s t 2 0 2 6 :   3 8 3 6 - 3 8 5 2   3840   I n   th e   p r o p o s ed   s y s tem ,   th e   PS O   alg o r ith m   s ea r c h es  f o r   th e   o p tim al  g lo b al   p ath   r ep r esen ted   b y   th e   s et  .   E ac h   p a r ticle  in   th e  s war m   en co d es  a  p o ten tial   tr ajec to r y   co m p o s ed   o f   th e  co o r d in ates  o f   ( 1 , 2 , … , ) .   T h e  s ea r ch   s p ac e  co r r esp o n d s   to   th e  f r ee - s p ac e  ce lls   o f   th e  en v ir o n m en t  m ap ,   wh e r e  0   r ep r esen ts   tr av er s ab le  ar ea s   a n d   1   d en o tes  o b s tacle s .   E ac h   p ar ticle    h as  a  p o s itio n     an d   v elo city     at   iter atio n   .   T h e  q u ality   o f   ea ch   p ath   is   ev alu ated   u s in g   a  f itn ess   f u n ctio n   th at  co m b in es  th e  to tal  p ath   len g t h   an d   an   o b s tacle   p en alty   ter m   i n   ( 1 4 ) .     = + ∙    ( 1 4 )     W h er e    is   ca lcu lated   f r o m   ( 1 0 )   an d   ( 1 1 ) ,   obs   is   th e  n u m b er   o f   p ath   s eg m en ts   in ter s ec tin g   o b s tacle   ce lls ,   an d     is   a  p en alty   co ef f icien t  th at  d is co u r ag es  u n s af e  p ath s .   T h e  v elo city   an d   p o s itio n   o f   ea ch   p ar ticle  ar e   u p d ated   ac c o r d in g   to   th e   s tan d ar d   PS O  in   ( 1 5 )   an d   ( 1 6 ) .     + 1 = ∙ + 1 1 ( ,  − ) + 2 2 (  − )   ( 1 5 )     + 1 = + + 1   ( 1 6 )     W h er e    is   th e  in er tia  weig h t ;   1 an d   2   ar e   co g n itiv e  a n d   s o ci al  lear n in g   co e f f icien ts ;   1 , 2 ∈ [ 0 , 1 ]   ar e  r an d o m   v a r iab les  in tr o d u cin g   s to ch asti c  ex p lo r atio n ;  an d   ,    an d      r ep r esen t  th e  p er s o n al  an d   g lo b al   b est p o s itio n s ,   r esp ec tiv ely .   I f   an   u p d ated   way p o i n t    lies   with in   an   o b s tacle   r e g io n ,   th e   alg o r ith m   m o d if ies  its   d ir ec ti o n   u s in g   eith er   a  r ef lectio n   s tr ateg y   o r   an   ad ap tiv e  p e n alty   ad ju s tm en t,  f o r cin g   th e  p ar ticle  to   e x p lo r e  v alid   r e g io n s .   T h e  iter ativ e  p r o ce s s   co n tin u e s   u n til o n e  o f   th e  f o llo win g   co n d itio n s   is   s atis f ied :   −   T h e  m ax im u m   n u m b er   o f   iter a tio n s   is   r ea ch ed .   −   T h e  im p r o v em en t i n     b etwe en   iter atio n s   is   n eg lig ib le.   −   T h e  s war m   co n v er g es to   a  s ta b le  g lo b al  s o lu tio n .   Up o n   co n v er g e n ce ,   th e  b est  p ath   o b tain ed   f r o m   t h e  s war m   is   s elec ted   as  th e  g lo b al  o p tim al  p ath .   T o   im p r o v e   r ep r o d u cib ilit y ,   t h e  PS O  h y p er p a r am eter   s ettin g s   u s ed   f o r   g lo b al   p ath   p lan n in g   ar e   s u m m ar ized   in   T ab le  1 .   T h e  s war m   s ize  was  s et  to   = 1 , 000 ,   th e  in er tia  weig h t  was  f ix ed   = 1 . 0 ,   an d   th e  co g n itiv e  a n d   s o cial  lear n in g   co ef f icien ts   we r e  s et  to   1 = 1 . 5   an d   2 = 1 . 5 ,   r esp ec tiv ely .   T h e  o p tim izatio n   was  ter m in ate d   wh en   th e  m ax im u m   iter atio n   lim it   = 400   was  r ea ch ed ,   o r   ea r lier   if   co n v er g e n ce   was  o b s er v ed .     T h ese  s ettin g s   p r o v id e  a  p r ac tical  b alan ce   b etwe en   s o lu tio n   q u ality   an d   co m p u tatio n al  co s t  f o r   th e  in d o o r   wo r k s p ac e  co n s id er e d .       T ab le  1 .   PS O  p ar am eter   s ettin g s   f o r   g l o b al  p ath   p lan n i n g   P a r a me t e r   S y mb o l   R e c o mm e n d   v a l u e   R o l e   S w a r m si z e     1 0 0 0   N u mb e r   o f   p a r t i c l e s  i n   P S O   I n e r t i a   w e i g h t     1 . 0   C o n t r o l s   t h e   i n f l u e n c e   o f   p r e v i o u s  v e l o c i t y   C o g n i t i v e   c o e f f i c i e n t   1   1 . 5   W e i g h t   o f   l e a r n i n g   f r o m t h e   p a r t i c l e ’ s   b e s t   p o s i t i o n   S o c i a l   c o e f f i c i e n t   2   1 . 5   W e i g h t   o f   l e a r n i n g   f r o m t h e   g l o b a l   b e st   p a r t i c l e   M a x i m u m   i t e r a t i o n s      4 0 0   M a x i m u m   n u m b e r   o f   i t e r a t i o n s       2 . 3 . 2 .   L o ca l pa t h  pla nn ing   us ing   dy na m ic  wind o w  a pp ro a ch   T h e  m o tio n   o f   a   d if f er en tial - d r iv e   m o b ile   r o b o t  ca n   b e   ex p r ess ed   b y   th e   f o llo win g   k in em atic  eq u atio n s   [ 3 1 ] .   T h e   DW A  alg o r ith m   s ea r ch es  f o r   th e   b est  p air   ( , )   co n s id er in g   th e   r o b o t’ s   k i n em atics  an d   d y n am ic  lim its   ( ( 5 )   an d   ( 6) ) .   T h e  f ea s ib le  win d o w  is   d ef i n ed   b y   ( 1 7 ) .       { ≤ ≤ ,   ≤ ≤  | − | ≤  ∆ , | − | ≤  ∆   ( 1 7 )     An d   s af ety   co n s tr ain ts   in   ( 1 8 ) .     ( , ) ≥    ( 1 8 )     W h er e  ( , )   is   th e  m in im u m   d is tan ce   f r o m   th e  r o b o t  to   th e   n ea r est  o b s tacle   an d      is   th e  m in i m u m   s af ety   d is tan ce .   E ac h   p air   ( , )   cr ea tes  a  s h o r t,   p r ed icted   tr aje cto r y ,   wh ich   is   ev alu ated   b y   a  c o m p o s ite  o b jectiv e  f u n ctio n   ( 1 9 ) .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8       E xp erimen ta l v a lid a tio n   o f v is io n - b a s ed   h yb r id   n a vig a tio n   f o r   d iffer en tia l   …  ( Th a n h   Qu a n g   Du c  Le )   3841   ( , ) = ∙ ℎ  ( , ) + ∙    ( , ) + ∙     ( , )   ( 1 9 )     W h er e    ( , )   m ea s u r es   th e  alig n m en t  b etwe en   th e  r o b o t’ s   h ea d in g   an d   th e  d ir ec tio n   to   th e  tar g et ;    ( , )   ev alu ates  th e   m in im u m   d is tan ce   to   s u r r o u n d in g   o b s tacle s ;     ( , )   r ep r esen ts   th e   m ag n itu d e  o f   f o r war d   s p ee d ; a n d   , ,   ar e  weig h tin g   c o ef f icien ts   th at  b alan ce   th ese  cr iter ia.   T h e   a lg o r i t h m   e v a l u a t e s   a l l  f e a s i b l e   ( , )   p a i r s   w i th i n   th e   d y n a m i c   w i n d o w   a n d   s e l e c t s   t h e  p a i r   w i t h   th e  h ig h e s t  ( , ) .   T h e   c o r r es p o n d i n g   tr a j e c to r y   i s   th e n   e x e cu t e d   b y   t h e  r o b o t  d u r in g   th e  n ex t   c o n tr o l   i n te r v a l .   T h i s   p r o c e s s   i s   c o n t i n u o u s l y   r ep e a t ed ,   en a b l i n g   t h e   r o b o t   t o   ad ap t   i t s   m o t i o n   i n   r e a l   t i m e.   T h e   D W A   p ar a m e te r s   u s ed   f o r   r e a l - t im e   l o ca l   m o t i o n   c o n t r o l   ar e   s u m m a r iz e d   in   T ab l e   2 .   T h e   v e l o c i ty   an d   a c c e l e r a ti o n   l i m i t s   w er e   s e lec t e d   ac c o r d in g   t o   th e   p h y s i ca l   c a p a b i l i ty   o f   d i f f e r en t i a l - d r i v e   r o b o t ,   w h i l e  o b j e c t iv e - f u n c t io n   w e ig h t s   w e r e   e m p i r i c a l ly   t u n e d   to   b a l a n c e   t ar g e t   a l ig n m e n t,   o b s t a c l e   c l e a r a n c e,   a n d   f o r w ar d   m o t i o n .       T ab le  2 .   DW A  p ar am eter   s ettin g s   P a r a me t e r   S y mb o l   V a l u e   M a x i m u m   l i n e a r   v e l o c i t y      0 . 15   /   M a x i m u m   a n g u l a r   v e l o c i t y      0 . 8    /   M a x i m u m   l i n e a r   a c c e l e r a t i o n      0 . 2   / 2   P r e d i c t i o n   h o r i z o n     2     M i n i m u m   safe t y   d i st a n c e     0 . 1   m   H e a d i n g   w e i g h t     0 . 4   C l e a r a n c e   w e i g h t     0 . 4   V e l o c i t y   w e i g h t     0 . 2       2 . 4 .    E x perim ent   s et up   2 . 4 . 1 .   E nv iro nm ent   s et up   a nd   ha rdwa re   s y s t em   T h e  ex p er im en tal  s etu p   is   illu s tr ated   in   Fig u r e  3 ,   wh ich   s im u lates  th e  m o v em en t  an d     s elf - lo ca lizatio n   o f   a  two - w h e eled   d if f e r en tial - d r iv e   m o b ile  r o b o t   o p er ati n g   in   an   en v i r o n m en t  with   m u ltip le  o b s tacle s .   T h e  ex p er im e n t  was  co n d u cted   o n   an   ex p e r im en t al  ar ea   with   a  to tal  ar ea   o f   3 . 3   m   ×   2 . 4   m ,   wh er e   o b s tacle s   wer e  r an d o m l y   p lac ed   with in   th e  wo r k s p ac e  ( Fig u r e  3 ( a) ) .   T h e   m o b ile  r o b o t   s tar ted   f r o m   p o s itio n   0   an d   was  p r o g r am m ed   to   f o llo w  a  tr ajec to r y   p ass in g   th r o u g h   all  n u m b er e d   tar g ets  in   s eq u e n ce   0   →  1   →  2   →   3   →  4   →  5   →   0   ( Fig u r e   3 ( b ) ) .   E ac h   tar g et  p o s itio n   was  d etec ted   an d   r ec o r d e d   u s in g   an   o v er h ea d   ce ilin g   ca m er a,   wh ich   p r o v id ed   g lo b a l c o o r d in ate  r ef er e n ce s   d u r in g   th e  ex p er im e n t.   T h e  r o b o t  u s ed   in   th is   s tu d y   is   s h o wn   in   Fig u r e  3 ( c) ,   a n d   its   p h y s ical  d im en s io n s   ar e  lis ted   in     T ab le  3 .   T h e   r o b o t   is   eq u ip p e d   with   a n   I n tel  R ea lSen s e  r ed ,   g r ee n ,   b lu e – d ep th   ( R GB - D )   ca m er a  m o u n ted   at  th e  f r o n t  to   ca p t u r e  v is u al  in f o r m atio n ,   an d   two - wh ee l  en c o d er s   f o r   o d o m etr y   co m p u tatio n .   T h e   L attePan d a   em b ed d e d   co m p u ter   s er v es  as  th e  m ain   co n tr o ller ,   in teg r ate d   with   a  m icr o co n t r o ller   r esp o n s ib le  f o r   d r i v in g   th e  d ir ec t c u r r en t ( DC )   m o t o r s ,   r ea d in g   s en s o r   d ata,   a n d   c o m m u n icatin g   with   th e   h o s t c o m p u ter .   T o   esti m ate  th e  r o b o t  p o s itio n   ac cu r ately   with in   th e   wo r k s p ac e,   an   Ar Uco   m a r k er   is   m o u n ted   o n   th e  to p   o f   th e  r o b o t.  T h e  ce ilin g   c am er a  is   u s ed   f o r   s en s o r   f u s io n   b y   d etec tin g   r o b o t   p o s itio n s   an d   ev alu atin g   d ata   with   r o b o t’ s   p o s e   o d o m etr y .   I t   co n tin u o u s ly   d etec ts   th is   m ar k er   to   d eter m i n e  th e   r o b o t’ s   g lo b al  co o r d in ates  i n   r ea l  tim e.   T h e  p o s itio n   o b tain ed   f r o m   th e  ce ilin g   ca m er a  is   th en   f u s ed   with   th e  in cr em e n t al  m o tio n   d ata  f r o m   th e  wh ee l e n co d er s   to   u p d ate  th e  r o b o t p o s e  o n   th e  wo r k in g   m ap .   T h is   h y b r id   lo ca lizatio n   ap p r o ac h   co m b in es   v is io n - b ased   g lo b al  p o s itio n in g   an d   o d o m etr y - b ased   lo ca l  e s tim atio n ,   ef f ec tiv ely   r e d u cin g   ac cu m u lated   d r if t   an d   im p r o v in g   n av i g atio n   ac c u r ac y   d u r in g   o p e r atio n .     2 . 4 . 2 .   E nv iro nm ent   m o delin g   a nd   im a g e - to - w o rld c o o rdina t e  co nv er s io n   T h e  wo r k s p ac e  e n v ir o n m en t   is   m o d ele d   th r o u g h   an   im ag e - p r o ce s s in g   p ip elin e   th at  ex tr ac ts   g eo m etr ic  f ea tu r es  f r o m   th e  c eilin g   ca m er a  an d   co n v er ts   i m ag e  co o r d in ates  in to   r ea l - w o r ld   m ea s u r e m en ts .   T h e  ca p tu r e d   im ag e  is   f ir s t  cr o p p ed   i n to   th e  r e g io n   o f   in ter e s t  an d   co n v er te d   f r o m   th e  R GB   to   th e  HSV  co lo r   s p ac e.   Up p er   a n d   l o wer   HSV  th r esh o ld s   [ , , ]   an d   [ , , ]   is   th en   ap p lied   to   g en er ate  a   b in a r y   m ask   th at   h i g h lig h ts   o b s tacle   s u r f ac es.  Fig u r e  4   s h o ws  th e   r esu ltin g   b in a r y   m ask s   g en er ated   b y   th is   p ip elin e   f o r   two   d if f er en t  ca m er a   v iews  u s ed   in   o b s t ac le  d etec tio n :  t h e  s u r f ac e  f l o o r   v iew   an d   th e   s id e  f lo o r   v iew.   As  s h o wn   in   Fi g u r e  4 ( a) ,   th e  in itial  m ask   m ay   co n tain   n o is e  an d   s m all  g ap s   alo n g   o b ject  b o u n d ar ies.  T h e r ef o r e ,   Gau s s ian   b lu r r in g   is   u s ed   t o   s u p p r ess   h ig h - f r eq u e n cy   n o is e,   an d   m o r p h o lo g ical   clo s in g   is   ap p lied   to   f ill  s m all  h o les an d   co n n ec t b r o k en   co n to u r s ,   p r o d u cin g   a  clea n er   s eg m en tatio n   r esu lt f o r   s u b s eq u en t c o n t o u r   e x tr ac tio n   an d   m ap   g en er atio n ,   as illu s tr ated   in   Fig u r e  4 ( b ) .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell ,  Vo l.  1 5 ,   No .   4 ,   Au g u s t 2 0 2 6 :   3 8 3 6 - 3 8 5 2   3842     ( a)         ( b )   ( c)     Fig u r e  3 .   Sy s tem   lay o u t a n d   e x p er im en tal  s p ac e :   ( a )   s y s tem   lay o u t ,   ( b )   th e  e x p er im e n tal  s p ac e ,   an d     ( c)   two - wh ee led   d if f er e n tial m o b ile  r o b o t       T ab le  3 .   Ph y s ical  p ar a m eter s   o f   th e  d i f f er en tial - d r iv e  m o b il e  r o b o t   P a r a me t e r s   D i me n si o n   ( m)   S i z e   0 . 2   ×   0 . 1 5   ×   0 . 2   W h e e l b a s e   0 . 2 5   W h e e l   r a d i u s   0 . 0 3 2 5           ( a )   ( b )       Fig u r e  4 .   I m ag e  p r o ce s s in g   p i p elin e  to   d etec t o b s tacle s   ( a)   b in ar y   im ag e  o f   th e   s u r f ac e  f l o o r   an d     ( b )   b in ar y   im a g e  o f   th e  s id e  v i ew  o f   th e  f l o o r       C o n to u r s     ar e  ex tr ac ted   an d   f ilter ed   b ased   o n   th e  ar ea   co n d itio n   < ( ) <    to   elim in ate  n o n - r ele v an t  o b ject s .   E ac h   v alid   co n to u r   is   ap p r o x im ate  to   a  p o l y g o n ,   an d   q u ad r ilater al  co n to u r s   ar e  r etain ed   as  ca n d id ate   o b s tacle   b o u n d ar ies.  T h e   f o u r   c o r n er   p o in ts   o f   ea ch   o b s tacle   ar e  th en   c o n v e r ted   f r o m   im a g e  co o r d in ates  ( , )   to   m etr ic  co o r d i n ates  ( , )   b y   a  lin ea r   s ca lin g   m o d el   i n   ( 2 0 ) .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8       E xp erimen ta l v a lid a tio n   o f v is io n - b a s ed   h yb r id   n a vig a tio n   f o r   d iffer en tia l   …  ( Th a n h   Qu a n g   Du c  Le )   3843   { = ( − ) = ( 0 − )   ( 2 0 )     W h er e  ( 0 , 0 )   ar e  th e  im ag e  ce n ter ,   an d   ,   ar e  th e  co n v er s io n   f ac to r s   ( m /p ix el)   alo n g   th e  - ax es  a n d     - ax es,  r esp ec tiv ely .   T h e  co o r d in ate  s y s tem   is   later   s h if ted   s o   th at  th e  o r ig in   is   r elo ca te d   to   th e  lo wer - lef t  co r n er   o f   th e  w o r k s p ac e  to   m a tch   th e  r o b o t’ s   g lo b al  m ap   c o o r d in ate  f r am e   as sh o wn   in   Fig u r e  5   ( 2 1 ) .     { = + ∆ = + ∆   ( 2 1 )     W h er e  ( Δ , Δ )   ar e  tr an s latio n   o f f s ets b etwe en   th e  im ag e  a n d   wo r k s p ac e  o r ig in s .   T h e  r esu ltin g   en v ir o n m e n t  is   r ep r esen ted   as  a  b in ar y   o cc u p a n cy   g r id   with   d im en s io n s   2 4 0   ×  3 3 0 ,   in   wh ich   ea ch   ce ll  co r r esp o n d s   to   1   cm 2   o f   r ea l  s p ac e.   T h is   g r id   en co d es  b o t h   th e  b o u n d ar y   walls  an d   th e  d etec ted   s tatic  o b s tacle s .   T o   d eter m in e  th e  r o b o t’ s   p o s itio n ,   an   Ar Uco   m a r k er   is   m o u n ted   o n   its   to p   s u r f ac e.   T h e  ce n tr o id   o f   th e  d etec ted   m ar k er   in   im ag e  c o o r d in ates  ( , )   is   co n v er ted   in to   r ea l - wo r ld   co o r d in ates   ( , )   b y   ( 2 0 ) .   T h e   r o b o t’ s   o r ien tat io n     is   esti m ated   f r o m   th e   d ir ec tio n   v ec to r   b etwe en   th e   to p - lef t  an d     to p - r ig h t c o r n e r s   o f   th e   m ar k e r   ( Fig u r e  6 )   ( 2 2 ) .     =  − 1 ( − − )   ( 2 2 )     W h er e  ( , )   an d   ( , )   ar e  th e  r ea l - wo r ld   co o r d i n ates  o f   th e  two   co r n er s .   T h e  an g le    is   n o r m alize d   with in   th e  r an g e   [ 0 , 2 ] ,   co u n ter clo c k wis e  in   th e  u p p e r   s em icir cle  an d   clo ck wis e  o th e r wis e.   Fo r   id en tify in g   g o al  p o s itio n s ,   d ig it  lab els  attac h ed   to   th e  f lo o r   ar e  d etec ted   u s in g   a  C o n v Net  d ee p   lear n in g   [ 3 2 ]   tr ai n ed   o n   th e   MN I ST  d ataset.   T h e  d ataset  an d   tr ain in g   co n f i g u r atio n   ar e  s u m m ar ized   in     T ab le  4 .   T h e  ce n tr o id   o f   ea ch   r ec o g n ized   d ig it  is   tr an s f o r m e d   in to   r ea l - wo r l d   co o r d in ates u s in g   ( 2 0 ) ,   d ef i n in g   th e  co r r esp o n d in g   tar g et  lo ca ti o n s   in   th e  wo r k s p ac e.           Fig u r e  5 .   Geo m etr ic  r elatio n s h ip   b etwe en   th e  im a g e  co o r d in ate  s y s tem   an d   r ea l - wo r ld   m ap   c o o r d in ates       Fig u r e  6 .   L o ca lizatio n   p r i n cip l e  u s in g   Ar Uco   m a r k er   an d   o r ie n tatio n   esti m atio n       T ab le  4 .   Data s et  tr ain in g   a n d   C o n v Net  tr ain in g   c o n f ig u r atio n   D a t a s e t   P a r a me t e r s   I n p u t   i m a g e   s i z e   28   ×   2 8   p i x e l   N u mb e r   o f   t r a i n i n g   i m a g e s   60 , 000   N u mb e r   o f   t e st i n g   i ma g e s   10 , 000   B a t c h   si z e   8   M a x i m u m   n u m b e r   o f   e p o c h s   12       3.   RE SU L T S AN D  D I SCU SS I O N   3 . 1 .     Vis io n - ba s ed  perc ept io n a nd   m a pp ing   re s ults   3 . 1 . 1 .   O bs t a cle  det ec t io n a nd   o cc up a ncy - g rid g ener a t io n   T h e  en v ir o n m en tal  m ap   was  co n s tr u cted   f r o m   to p - v iew  im ag es  ca p tu r ed   b y   th e  ce ilin g   ca m er a  an d   p r o ce s s ed   in   MA T L AB .   Af ter   ap p ly in g   im ag e  th r esh o l d in g   an d   s eg m en tatio n ,   th e  o b s t ac le  an d   f r ee - s p ac e  r eg io n s   wer e  clea r ly   d is tin g u is h ed .   Fig u r e  7   illu s tr ates  th e  r esu ltin g   d ig ital  m ap ,   wh er e  th e  id en tifie d   o b s tacle s   ar e  r ep r esen ted   i n   d is tin ct  co lo r   r e g io n s   t o   f ac ilit ate  r o b o t  n a v ig atio n   an d   en v i r o n m en t   m o d elin g .   Fig u r e  7 ( a )   s h o ws th e  o v e r h ea d   ca m er a  v iew  u s ed   f o r   o b s tac le  d etec tio n   an d   co o r d in ate  tr a n s latio n .   Ob s tacle s   ar e  d etec ted   an d   en clo s ed   b y   b o u n d in g   b o x es,  an d   th eir   r ef e r en ce   p o in ts   ar e  e x p r ess ed   in   th e  r o b o t  b ase  f r am e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell ,  Vo l.  1 5 ,   No .   4 ,   Au g u s t 2 0 2 6 :   3 8 3 6 - 3 8 5 2   3844   ( , )   as  1 ( 1 , 1 )   to   4 ( 4 , 4 ) .   T h e   n u m b e r ed   m ar k er s   in d icate   g o al/lo ca tio n   I Ds  u s ed   f o r   n av ig atio n .   Fig u r e  7 ( b )   p r esen ts   th e  g en er ated   d i g ital  m ap   in   m etr ic  co o r d in ates.  T h e  d etec ted   o b s tacle s   f r o m   th e  ca m er a  im ag e  ar e  co n v er t ed   in to   an   o cc u p an cy   r ep r esen tatio n ,   wh er e  b lack   r e g io n s   d e n o te  o cc u p ie d   ce lls   an d   wh ite  r eg i o n s   d en o te  f r ee   s p ac e,   p r o v i d in g   a   p lan n i n g   m ap   f o r   g lo b al  a n d   lo ca l  n av ig at io n .           ( a)   ( b)     Fig u r e  7 .   Go al  p o s itio n ,   o b ject   d etec tio n ,   an d   co o r d in ate  tr a n s latio n :   ( a)   o b s tacle   d etec tio n   an d     ( b )   d ig ital m a p   g e n er atio n       Qu an titativ e  r esu lts   o f   o b s tacle   lo ca lizatio n   ac cu r ac y   ar e  p r e s en ted   in   T ab le  5 .   T h e  av er a g e  ab s o lu te   er r o r s   in   th e  x -   an d   y - co o r d in ates  ar e  0 . 9 5 9   cm   an d   0 . 6 9 6   cm ,   r esp ec tiv ely ,   in d icatin g   t h at  th e  v is io n - b ased   d etec tio n   s y s tem   ac h iev es  h i g h   lo ca lizatio n   p r ec is io n .   T h ese  r esu lts   d em o n s tr ate  th e  r o b u s tn ess   o f   th e   p r o p o s ed   im ag e - p r o ce s s in g   p i p elin e  an d   th e  co o r d in ate  tr an s f o r m atio n   m o d el,   wh ich   en ab le  r eliab le  o b s tacle   id en tific atio n   an d   m ap p in g   wi th in   th e  r ea l - wo r ld   wo r k s p ac e.       T ab le  5 .   Ob s tacle   lo ca tio n   d et ec tio n   r esu lts   O b st a c l e s   R e a l   c o o r d i n a t e   ( , )   I mag e   c o o r d i n a t e   ( (  ,  )   Er r o r   O b st a c l e   1     1 ( 1 , 1 )   2 0 4 . 5 0   7 5 . 0 0   2 0 4 . 5 7   7 4 . 6 8   0 . 0 7   - 0 . 3 2   2 4 0 . 0 0   7 5 . 0 0   2 4 3 . 5 1   7 5 . 3 1   3 . 5 1   0 . 3 1   2 4 0 . 0 0   6 0 . 0 0   2 4 3 . 8 2   6 0 . 3 1   3 . 8 2   0 . 3 1   2 0 4 . 5 0   6 0 . 0 0   2 0 4 . 8 9   5 9 . 6 8   0 . 3 9   - 0 . 3 2   O b st a c l e   2   2 ( 2 , 2 )   6 0 . 0 0   8 6 . 5 0   5 7 . 7 6   8 7 . 4 4   - 2 . 2 4   0 . 9 4   1 0 2 . 0 0   8 6 . 5 0   1 0 3 . 0 8   8 7 . 4 4   1 . 8 0   0 . 9 4   1 0 2 . 0 0   6 0 . 0 0   1 0 3 . 0 8   5 9 . 6 8   1 . 0 8   - 0 . 3 2   6 0 . 0 0   6 0 . 0 0   5 7 . 7 6   5 9 . 6 8   - 2 . 2 4   - 0 . 3 2   O b st a c l e   3   3 ( 3 , 3 )   2 1 0 . 0 0   1 7 7 . 0 0   2 1 1 . 2 7   1 7 8 . 4 0   1 . 2 7   1 . 4 0   2 5 1 . 0 0   1 7 7 . 0 0   2 5 3 . 4 0   1 7 9 . 0 4   2 . 4 0   2 . 0 4   2 5 1 . 0 0   1 5 0 . 0 0   2 5 4 . 0 4   1 5 0 . 9 5   3 . 0 4   0 . 9 5   2 1 0 . 0 0   1 5 0 . 0 0   2 1 1 . 5 9   1 5 0 . 3 1   1 . 5 9   0 . 3 1   O b st a c l e   4   4 ( 4 , 4 )   9 2 . 0 0   1 8 0 . 0 0   9 0 . 6 3   1 8 2 . 2 3   - 1 . 3 7   2 . 2 3   1 1 6 . 0 0   1 8 0 . 0 0   1 1 6 . 8 0   1 8 2 . 2 3   0 . 8 0   2 . 2 3   1 1 6 . 0 0   1 5 6 . 0 0   1 1 6 . 8 0   1 5 6 . 3 8   0 . 8 0   0 . 3 8   9 2 . 0 0   1 5 6 . 0 0   9 0 . 6 3   1 5 6 . 3 8   0 . 6 3   0 . 3 8   A v e r a g e   e r r o r   0 . 9 5 9   0 . 6 9 6       3 . 1 . 2 .   Co nv o lutio na l   neura l  net wo rk   - ba s ed  g o a l - m a r k er   re co g nitio n   A  C NN  C o n v Net  [ 3 2 ]   was  t r ain ed   to   r ec o g n ize  d i g it  m ar k er s   s er v in g   as  g o al  id e n tifie r s   f o r   th e   m o b ile  r o b o t .   T o   im p r o v e  g e n er aliza tio n ,   d ata  au g m e n tatio n   tech n iq u es  wer e  ap p lied   d u r in g   tr ain in g .   T h e   tr ain in g   co n f ig u r atio n   is   s u m m ar ized   in   T ab le  4 ,   with   a  b at ch   s ize  o f   8 ,   1 2   ep o c h s ,   an d   ea r ly   s to p p in g   e n ab led   to   p r e v en t  o v er f itti n g .   As  s h o wn   in   Fig u r e  8 ,   b o th   tr ain i n g   an d   v alid atio n   ac c u r ac ies  in cr ea s ed   r a p id ly ,   r ea ch in g   a p p r o x im ately   9 9 %   af ter   th e  f o u r th   ep o ch ,   w h ile  th e  co r r esp o n d in g   lo s s   cu r v es  d ec r ea s ed   an d   co n v er g ed   s m o o th ly .   T h is   b e h av io r   in d icate s   th at   th e  m o d el  lear n ed   ef f icien tly   with o u t   s ig n s   o f   o v er f itti n g .   E v a l u a t i o n   m e t r i c s   l i s t e d   i n   T a b l e   6   d e m o n s t r a t e   c o n s i s t e n t   r e s u l t s   a c r o s s   a l l   c l a s s e s ,   w i t h   a v e r a g e   p r e c i s i o n   =   0 . 9 9 ,  r ec all  =  0 . 9 9 ,   an d   F1 - s co r e  =  0 . 9 9   ( Fig u r e  8 ( a) ) .   T h e  u n if o r m ity   am o n g   class es,  with   s ev er al  ac h iev in g   p er f ec t  s co r es  ( 1 . 0 0 ) ,   c o n f ir m s   th at  th e  C NN  m o d el  is   well - b alan ce d   an d   u n b iased .   W ith   an   o v er all  ac cu r ac y   o f   9 9 %  o n   1 0 , 0 0 0   test   im ag e s ,   th e  tr ain e d   m o d el  p r o v es  e f f ec tiv e  an d   r eliab le  f o r   p r ac t ical  d ep lo y m en t  i n   g o al  d etec tio n   task s .   I n   Fig u r e  8 ( b ) ,   th e  tr ai n in g   lo s s   an d   v alid atio n   lo s s   o v er   e p o ch s .   B o th   cu r v es  d ec r ea s e   s h ar p ly   d u r in g   th e   f ir s t  f ew   ep o ch s   an d   t h en   d ec lin e  m o r e  g r ad u ally ,   in d icatin g   s tab le  co n v er g en c e.   T h e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8       E xp erimen ta l v a lid a tio n   o f v is io n - b a s ed   h yb r id   n a vig a tio n   f o r   d iffer en tia l   …  ( Th a n h   Qu a n g   Du c  Le )   3845   v alid atio n   lo s s   r em ain s   lo w  an d   r elativ ely   s tab le,   with   a  s m all  in cr ea s e  ar o u n d   ep o ch s   1 0 – 1 1 ,   wh ich   m ay   s u g g est  m ild   o v e r f itti n g ;  h o w ev er ,   th e   o v e r all  g ap   b etwe e n   th e  two   cu r v es  s tay s   s m all,   im p ly in g   th at  th e  m o d el  m ain tain s   g o o d   g en e r aliza tio n   p er f o r m an ce .   Fig u r e  9   illu s tr ates  th e  f in al  lo ca lizatio n   r esu lts ,   co n f ir m in g   th at  th e  p r o p o s ed   C NN - b ased   ap p r o ac h   ca n   ac cu r ately   d eter m in e  t h e  p o s itio n s   o f   tar g et  p o in ts   with   n eg lig ib le  er r o r s — s u f f icien t f o r   p r ec is e  p ath   p lan n in g   a n d   r o b o t n a v ig atio n   i n   s tatic  en v ir o n m en ts .           ( a)   ( b)     Fig u r e  8 .   Mo d el  tr ain in g   an d   v alid atio n   o f   ( a)   ac cu r ac y   an d   ( b )   lo s s       T ab le  6 .   T h e  C NN  m o d el  p er f o r m an ce     P r e d i c t e d   R e c a l l   F1 - sc o r e   0   1 . 0 0   1 . 0 0   1 . 0 0   1   1 . 0 0   1 . 0 0   1 . 0 0   2   0 . 9 9   0 . 9 9   0 . 9 9   3   0 . 9 9   1 . 0 0   0 . 9 9   4   0 . 9 9   0 . 9 9   0 . 9 9   5   1 . 0 0   0 . 9 9   0 . 9 9   6   1 . 0 0   1 . 0 0   1 . 0 0   7   0 . 9 9   0 . 9 9   0 . 9 9   8   0 . 9 9   1 . 0 0   1 . 0 0   9   0 . 9 9   0 . 9 9   0 . 9 9   A v e r a g e   w e i g h t e d   0 . 9 9   0 . 9 9   0 . 9 9           Fig u r e  9 .   Po s itio n   d etec tio n       3 . 2 .     L o ca liza t io n us ing   o do m et ry   a nd   ArU co   co rr ec t io n   T wo   lo ca lizatio n   m eth o d s   we r e  test ed :  i )   u s in g   o d o m et r y   f r o m   wh ee l  e n co d e r s   an d   ii )   c o m b in in g   o d o m etr y   with   Ar Uco - m ar k er   d etec tio n .   Fig u r e  1 0   c o m p ar es  th e  tr ajec to r ies  esti m ated   b y   th e  two   lo ca lizatio n   m eth o d s   with   th e  r ea l  ( g r o u n d - tr u t h )   tr ajec to r y .   T h is   co m p ar is o n   q u an tifi es  th e  lo ca lizatio n   ac cu r ac y   im p r o v em e n t  ac h ie v ed   th r o u g h   Ar Uco - m ar k er   co r r ec tio n .   I n   d etail,   Fig u r e   1 0 ( a )   s h o ws  th e  tr ajec to r y   esti m ated   b y   o d o m etr y   alo n e.   At  f ir s t,  th e  p ath   m atch es  th e  r ea l  tr ajec to r y ,   b u t  er r o r s   g r a d u all y   in cr ea s e  d u e  to   wh ee l  s lip   an d   en co d e r   n o is e.   Fig u r e  1 0 ( b )   s h o ws  th e  r esu lt  o f   th e  co m b in ed   m eth o d .   W h en   th e  r o b o t  d etec ts   Ar Uco   m a r k er s ,   its   g lo b al  p o s itio n   is   co r r ec ted ,   wh ich   r em o v es  th e  d r if t  f r o m   o d o m etr y .   T h e  co m b i n ed   ap p r o ac h   ac h ie v es sm aller   er r o r s ,   ar o u n d   0 . 0 1 – 0 . 0 5   m,   a n d   p r o v id es m o r e  s tab le  lo ca lizatio n .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.