Modelling stereoscopic vision systems for robotic applications

Aquesta tesi s'emmarca dins del projecte CICYT TAP 1999-0443-C05-01. L'objectiu d'aquest projecte és el disseny, implementació i avaluació de robots mòbils, amb un sistema de control distribuït, sistemes de sensorització i xarxa de comunicacions per realitzar tasques de vigilància. Els robots han de poder-se moure per un entorn reconeixent la posició i orientació dels diferents objectes que l'envolten. Aquesta informació ha de permetre al robot localitzar-se dins de l'entorn on es troba per poder-se moure evitant els possibles obstacles i dur a terme la tasca encomanada. El robot ha de generar un mapa dinàmic de l'entorn que serà utilitzat per localitzar la seva posició. L'objectiu principal d'aquest projecte és aconseguir que un robot explori i construeixi un mapa de l'entorn sense la necessitat de modificar el propi entorn. Aquesta tesi està enfocada en l'estudi de la geometria dels sistemes de visió estereoscòpics formats per dues càmeres amb l'objectiu d'obtenir informació geomètrica 3D de l'entorn d'un vehicle. Aquest objectiu tracta de l'estudi del modelatge i la calibració de càmeres i en la comprensió de la geometria epipolar. Aquesta geometria està continguda en el que s'anomena emph{matriu fonamental}. Cal realitzar un estudi del càlcul de la matriu fonamental d'un sistema estereoscòpic amb la finalitat de reduir el problema de la correspondència entre dos plans imatge. Un altre objectiu és estudiar els mètodes d'estimació del moviment basats en la geometria epipolar diferencial per tal de percebre el moviment del robot i obtenir-ne la posició. Els estudis de la geometria que envolta els sistemes de visió estereoscòpics ens permeten presentar un sistema de visió per computador muntat en un robot mòbil que navega en un entorn desconegut. El sistema fa que el robot sigui capaç de generar un mapa dinàmic de l'entorn a mesura que es desplaça i determinar quin ha estat el moviment del robot per tal de emph{localitzar-se} dins del mapa. La tesi presenta un estudi comparatiu dels mètodes de calibració de càmeres més utilitzats en les últimes dècades. Aquestes tècniques cobreixen un gran ventall dels mètodes de calibració clàssics. Aquest mètodes permeten estimar els paràmetres de la càmera a partir d'un conjunt de punts 3D i de les seves corresponents projeccions 2D en una imatge. Per tant, aquest estudi descriu un total de cinc tècniques de calibració diferents que inclouen la calibració implicita respecte l'explicita i calibració lineal respecte no lineal. Cal remarcar que s'ha fet un gran esforç en utilitzar la mateixa nomenclatura i s'ha estandaritzat la notació en totes les tècniques presentades. Aquesta és una de les dificultats principals a l'hora de poder comparar les tècniques de calibració ja què cada autor defineix diferents sistemes de coordenades i diferents conjunts de paràmetres. El lector és introduït a la calibració de càmeres amb la tècnica lineal i implícita proposada per Hall i amb la tècnica lineal i explicita proposada per Faugeras-Toscani. A continuació es passa a descriure el mètode a de Faugeras incloent el modelatge de la distorsió de les lents de forma radial. Seguidament es descriu el conegut mètode proposat per Tsai, i finalment es realitza una descripció detallada del mètode de calibració proposat per Weng. Tots els mètodes són comparats tant des del punt de vista de model de càmera utilitzat com de la precisió de la calibració. S'han implementat tots aquests mètodes i s'ha analitzat la precisió presentant resultats obtinguts tant utilitzant dades sintètiques com càmeres reals. Calibrant cada una de les càmeres del sistema estereoscòpic es poden establir un conjunt de restriccions geomètri ques entre les dues imatges. Aquestes relacions són el que s'anomena geometria epipolar i estan contingudes en la matriu fonamental. Coneixent la geometria epipolar es pot: simplificar el problema de la correspondència reduint l'espai de cerca a llarg d'una línia epipolar; estimar el moviment d'una càmera quan aquesta està muntada sobre un robot mòbil per realitzar tasques de seguiment o de navegació; reconstruir una escena per aplicacions d'inspecció, propotipatge o generació de motlles. La matriu fonamental s'estima a partir d'un conjunt de punts en una imatges i les seves correspondències en una segona imatge. La tesi presenta un estat de l'art de les tècniques d'estimació de la matriu fonamental. Comença pels mètode lineals com el dels set punts o el mètode dels vuit punts, passa pels mètodes iteratius com el mètode basat en el gradient o el CFNS, fins arribar las mètodes robustos com el M-Estimators, el LMedS o el RANSAC. En aquest treball es descriuen fins a 15 mètodes amb 19 implementacions diferents. Aquestes tècniques són comparades tant des del punt de vista algorísmic com des del punt de vista de la precisió que obtenen. Es presenten el resultats obtinguts tant amb imatges reals com amb imatges sintètiques amb diferents nivells de soroll i amb diferent quantitat de falses correspondències. Tradicionalment, l'estimació del moviment d'una càmera està basada en l'aplicació de la geometria epipolar entre cada dues imatges consecutives. No obstant el cas tradicional de la geometria epipolar té algunes limitacions en el cas d'una càmera situada en un robot mòbil. Les diferencies entre dues imatges consecutives són molt petites cosa que provoca inexactituds en el càlcul de matriu fonamental. A més cal resoldre el problema de la correspondència, aquest procés és molt costós en quant a temps de computació i no és gaire efectiu per aplicacions de temps real. En aquestes circumstàncies les tècniques d'estimació del moviment d'una càmera solen basar-se en el flux òptic i en la geometria epipolar diferencial. En la tesi es realitza un recull de totes aquestes tècniques degudament classificades. Aquests mètodes són descrits unificant la notació emprada i es remarquen les semblances i les diferencies entre el cas discret i el cas diferencial de la geometria epipolar. Per tal de poder aplicar aquests mètodes a l'estimació de moviment d'un robot mòbil, aquest mètodes generals que estimen el moviment d'una càmera amb sis graus de llibertat, han estat adaptats al cas d'un robot mòbil que es desplaça en una superfície plana. Es presenten els resultats obtinguts tant amb el mètodes generals de sis graus de llibertat com amb els adaptats a un robot mòbil utilitzant dades sintètiques i seqüències d'imatges reals. Aquest tesi finalitza amb una proposta de sistema de localització i de construcció d'un mapa fent servir un sistema estereoscòpic situat en un robot mòbil. Diverses aplicacions de robòtica mòbil requereixen d'un sistema de localització amb l'objectiu de facilitar la navegació del vehicle i l'execució del les trajectòries planificades. La localització es sempre relativa al mapa de l'entorn on el robot s'està movent. La construcció de mapes en un entorn desconegut és una tasca important a realitzar per les futures generacions de robots mòbils. El sistema que es presenta realitza la localització i construeix el mapa de l'entorn de forma simultània. A la tesi es descriu el robot mòbil GRILL, que ha estat la plataforma de treball emprada per aquesta aplicació, amb el sistema de visió estereoscòpic que s'ha dissenyat i s'ha muntat en el robot. També es descriu tots el processos que intervenen en el sistema de localització i construcció del mapa. La implementació d'aquest processos ha estat possible gràcies als estudis realitzats i presentats prèviament (calibració de càmeres, estimació de la matriu fonamental, i estimació del moviment) sense els quals no s'hauria pogut plantejar aquest sistema. Finalment es presenten els mapes en diverses trajectòries realitzades pel robot GRILL en el laboratori. Les principals contribucions d'aquest treball són: ·Un estat de l'art sobre mètodes de calibració de càmeres. El mètodes són comparats tan des del punt de vista del model de càmera utilitzat com de la precisió dels mètodes. ·Un estudi dels mètodes d'estimació de la matriu fonamental. Totes les tècniques estudiades són classificades i descrites des d'un punt de vista algorísmic. ·Un recull de les tècniques d'estimació del moviment d'una càmera centrat en el mètodes basat en la geometria epipolar diferencial. Aquestes tècniques han estat adaptades per tal d'estimar el moviment d'un robot mòbil. ·Una aplicació de robòtica mòbil per tal de construir un mapa dinàmic de l'entorn i localitzar-se per mitja d'un sistema estereoscòpic. L'aplicació presentada es descriu tant des del punt de vista del maquinari com del programari que s'ha dissenyat i implementat.

Estimating the motion of an underwater robot from a monocular image sequence

When underwater vehicles perform navigation close to the ocean floor, computer vision techniques can be applied to obtain quite accurate motion estimates. The most crucial step in the vision-based estimation of the vehicle motion consists on detecting matchings between image pairs. Here we propose the extensive use of texture analysis as a tool to ameliorate the correspondence problem in underwater images. Once a robust set of correspondences has been found, the three-dimensional motion of the vehicle can be computed with respect to the bed of the sea. Finally, motion estimates allow the construction of a map that could aid to the navigation of the robot

Towards a real-time vision-based navigation system for a small-class UUV

This paper deals with the problem of navigation for an unmanned underwater vehicle (UUV) through image mosaicking. It represents a first step towards a real-time vision-based navigation system for a small-class low-cost UUV. We propose a navigation system composed by: (i) an image mosaicking module which provides velocity estimates; and (ii) an extended Kalman filter based on the hydrodynamic equation of motion, previously identified for this particular UUV. The obtained system is able to estimate the position and velocity of the robot. Moreover, it is able to deal with visual occlusions that usually appear when the sea bottom does not have enough visual features to solve the correspondence problem in a certain area of the trajectory

Augmented state Kalman filtering for AUV navigation

Addresses the problem of estimating the motion of an autonomous underwater vehicle (AUV), while it constructs a visual map ("mosaic" image) of the ocean floor. The vehicle is equipped with a down-looking camera which is used to compute its motion with respect to the seafloor. As the mosaic increases in size, a systematic bias is introduced in the alignment of the images which form the mosaic. Therefore, this accumulative error produces a drift in the estimation of the position of the vehicle. When the arbitrary trajectory of the AUV crosses over itself, it is possible to reduce this propagation of image alignment errors within the mosaic. A Kalman filter with augmented state is proposed to optimally estimate both the visual map and the vehicle position

Integració d’ una unitat inercial i d’ un giroscopi de fibra òptica en un robot submarí i desenvolupament d’ un sistema de posicionament dins una piscina

El Grup de Visió per Computador i Robòtica (VICOROB) del departament d'Electrònica, Informàtica i Automàtica de la Universitat de Girona investiga en el camp de la robòtica submarina. Al CIRS (Centre d’Investigació en Robòtica Submarina), laboratori que forma part del grup VICOROB, el robot submarí Ictineu és la principal eina utilitzada per a desenvolupar els projectes de recerca. Recentment, el CIRS ha adquirit un nou sistema de sensors d' orientació basat en una unitat inercial i un giroscopi de fibra òptica. Aquest projecte pretén realitzar un estudi d' aquests dispositius i integrar-los al robot Ictineu. D' altra banda, aprofitant les característiques d’aquests sensors giroscopics i les mesures d' un sonar ja integrat al robot, es vol desenvolupar un sistema de localització capaç de determinar la posició del robot en el pla horitzontal de la piscina en temps real

Integració i estudi d’un conjunt de propulsors per un robot submarí

L’objectiu d’aquest projecte/treball fi de carrera es estudiar els propulsors i el seu protocol de comunicació proporcionant informació útil a l’hora de dissenyar i construir el robot subaquàtic que implementi els propulsors

Odometria i planificació de trajectòries amb el robot e-puck

En el laboratori docent de robòtica s'utilitzen robots mòbils autònoms per treballar aspectes relacionats amb el posicionament, el control de trajectòries, la construcció de mapes... Es disposa de cinc robots comercials anomenats “e-puck”, que es caracteritzen per les seves dimensions reduïdes, dos motors i un conjunt complet de sensors. Aquests robots es programen en C++ utilitzant el simulador Webots, que disposa d'un conjunt de llibreries per programar el robot. També es disposa d'un entorn de proves on els robots es poden moure i evitar obstacles. Donat el poc temps que disposen els estudiants que realitzen pràctiques en aquest laboratori, és d'interès desenvolupar un software que contingui ja el posicionament del robot mitjançant odometria i també varis algoritmes de control de trajectòries. Per últim, en el laboratori es disposa de càmeres i targes d'adquisició de dades. Així doncs els objectius que s'han proposat per el projecte són: 1. Estudi de la documentació i software proporcinats pels fabricants del robot i de l'entorn Webots; 2. Programació del software de l'odometria i realització de proves per comprovar-ne la precisió; 3. Disseny, programació i verificació del software dels algoritmes de planificació de trajectòries. Realització d'experiments per a comprovar-ne el funcionament i 4. Disseny, programació i verificació d'un sistema de visió artificial que permeti conèixer la posició absoluta del robot en l'entorn

Programació del robot e-puck amb Microsoft Robotics Studio

Microsoft Robotics Studio (MRS) és un entorn per a crear aplicacions per a robots utilitzant una gran varietat de plataformes hardware. Conté un entorn de simulació en el que es pot modelar i simular el moviment del robot. Permet també programar el robot, i executar-lo en l’entorn simulat o bé en el real. MRS resol la comunicació entre els diferents processos asíncrons que solen estar presents en el software de control d’un robot: processos per atendre sensors, actuadors, sistemes de control, comunicacions amb l’exterior,... MRS es pot utilitzar per modelar nous robots utilitzant components que ja estiguin disponibles en les seves llibreries, o també permet crear component nous. Per tal de conèixer en detall aquesta eina, seria interessant utilitzar-la per programa els robots e-pucks, uns robots mòbils autònoms de petites dimensions que disposen de dos motors i un complet conjunt de sensors. El que es vol és simular-los, realitzar un programa de control, realitzar la interfície amb el robot i comprovar el funcionament amb el robot real

Efficient learning of reactive robot behaviors with a Neural-Q_learning approach

The purpose of this paper is to propose a Neural-Q_learning approach designed for online learning of simple and reactive robot behaviors. In this approach, the Q_function is generalized by a multi-layer neural network allowing the use of continuous states and actions. The algorithm uses a database of the most recent learning samples to accelerate and guarantee the convergence. Each Neural-Q_learning function represents an independent, reactive and adaptive behavior which maps sensorial states to robot control actions. A group of these behaviors constitutes a reactive control scheme designed to fulfill simple missions. The paper centers on the description of the Neural-Q_learning based behaviors showing their performance with an underwater robot in a target following task. Real experiments demonstrate the convergence and stability of the learning system, pointing out its suitability for online robot learning. Advantages and limitations are discussed

Vision-based localization of an underwater robot in a structured environment

This paper presents a vision-based localization approach for an underwater robot in a structured environment. The system is based on a coded pattern placed on the bottom of a water tank and an onboard down looking camera. Main features are, absolute and map-based localization, landmark detection and tracking, and real-time computation (12.5 Hz). The proposed system provides three-dimensional position and orientation of the vehicle along with its velocity. Accuracy of the drift-free estimates is very high, allowing them to be used as feedback measures of a velocity-based low-level controller. The paper details the localization algorithm, by showing some graphical results, and the accuracy of the system

A review of sensor fusion techniques for underwater vehicle navigation

This work provides a general description of the multi sensor data fusion concept, along with a new classification of currently used sensor fusion techniques for unmanned underwater vehicles (UUV). Unlike previous proposals that focus the classification on the sensors involved in the fusion, we propose a synthetic approach that is focused on the techniques involved in the fusion and their applications in UUV navigation. We believe that our approach is better oriented towards the development of sensor fusion systems, since a sensor fusion architecture should be first of all focused on its goals and then on the fused sensors

Local model predictive control experiences with differential driven wheeled mobile robots

This work extends a previously developed research concerning about the use of local model predictive control in differential driven mobile robots. Hence, experimental results are presented as a way to improve the methodology by considering aspects as trajectory accuracy and time performance. In this sense, the cost function and the prediction horizon are important aspects to be considered. The aim of the present work is to test the control method by measuring trajectory tracking accuracy and time performance. Moreover, strategies for the integration with perception system and path planning are briefly introduced. In this sense, monocular image data can be used to plan safety trajectories by using goal attraction potential fields

Estudi del model dinàmic d’un robot submarí d’intervenció (IAUV) composat per un vehicle i un braç manipulador

Fins a la data d’avui, el grup VICOROB de la Universitat de Girona ha desenvolupat diversos vehicles autònoms (GARBÍ, URIS i ICTINEU). El projecte que comença aquest any té com objectiu desenvolupar un nou vehicle submarí autònom amb capacitat d’intervenció (I-AUV) gràcies a un braç manipulador. Aquest projecte final de carrera té com objectiu desenvolupar en entorn MATLAB un simulador d’un I-AUV, format per un AUV i un braç manipulador de n graus de llibertat per tal d’avaluar les reaccions dels moviments del braç, amb càrrega i sense, sobre el robot, i viceversa

Disseny de controladors òptims per al robot Pioneer

Aquest projecte titulat: “Disseny de controladors òptims per al robot Pioneer”, té com a funció incloure en la recerca, que ja està iniciada, del control del Robot Pioneer 2DX, una nova versió d’agents go to per al funcionament del robot. La problemàtica que ens trobem és sobretot per al primer controlador. Fins ara el sistema multi-agent fet, feia servir un agent go to que generava la trajectòria a seguir i la controlava mitjançant un PID. Introduint un mètode geomètric com és el cas del pure pursuit la cosa es complica ja que és més complex l’ajustament del funcionament d’aquest. Centrant-nos en canvi el cas del segon controlador el problema es simplifica ja que l’ajustatge d’aquest mateix es pot realitzar de manera empírica i la problemàtica per a la situació en concret es millora amb major facilitat. És per aquest motiu, sobretot pel primer controlador, que s’han hagut de realitzar algunes modificacions en el plantejament del projecte al llarg d’aquest. En un principi estava pensat crear aquest controlador a través de Matlab® mitjançant l’eina Simulink® però per problemes de software en un moment donat hem hagut de redirigir el projecte cap al llenguatge base de l’estructura multi-agent com és el C++. Per aquest motiu també s’ha hagut de prescindir de la implementació d’aquests també en l’estructura LabView®.

Integració d'un sensor sonar d'escombrat lateral en un robot submarí

El grup de Visió per Computador i Robòtica (VICOROB) disposa de varis robots submarins per a la recerca i inspecció subaquàtica. Recentment s’ha adquirit un sensor sonar d’escombrat lateral el qual s’utilitza per realitzar imatges acústiques del fons marí quan aquest es mou principalment a velocitat constant i mantenint el rumb. Els robots del grup VICOROB estan equipats amb diferents tipus de sensors i càmeres per analitzar el fons marí. Aquest sensors són de gran qualitat i permeten conèixer de manera bastant satisfactòria l’entorn a les proximitats del robot. Freqüentment però, aquest sensors estant sotmesos a diferents restriccions depenent de la seva naturalesa de funcionament, de tal manera que es necessària la seva combinació per resoldre determinats problemes en diferents situacions. Amb aquest projecte, es pretén integrar un nou sistema de captura d’imatges sonores del fons marí, en un dels robots. Amb la integració d’aquest nou sensor, s’espera obtenir una opció alternativa els sistemes actuals que pugui aportar informació addicional sobre el fons. Aquest sistema podrà ser utilitzat per realitzar tasques per les quals els altres sensors no estant preparats o bé per complementar informació d’altres sensor