Efficient 3D scene modeling and mosaicing

El modelat d'escenes és clau en un gran ventall d'aplicacions que van des de la generació mapes fins a la realitat augmentada. Aquesta tesis presenta una solució completa per a la creació de models 3D amb textura. En primer lloc es presenta un mètode de Structure from Motion seqüencial, a on el model 3D de l'entorn s'actualitza a mesura que s'adquireix nova informació visual. La proposta és més precisa i robusta que l'estat de l'art. També s'ha desenvolupat un mètode online, basat en visual bag-of-words, per a la detecció eficient de llaços. Essent una tècnica completament seqüencial i automàtica, permet la reducció de deriva, millorant la navegació i construcció de mapes. Per tal de construir mapes en àrees extenses, es proposa un algorisme de simplificació de models 3D, orientat a aplicacions online. L'eficiència de les propostes s'ha comparat amb altres mètodes utilitzant diversos conjunts de dades submarines i terrestres.

Underwater slam for estructured environments using and imaging sonar

Aquesta tesi tracta sobre el problema de la navegació per a vehicles submarins autònoms que operen en entorns artificials estructurats com ara ports, canals, plataformes marines i altres escenaris similars. A partir d'una estimació precisa de la posició en aquests entorns, les capacitats dels vehicles submarins s'incrementen notablement i s'obre una porta al seu funcionament autònom. El manteniment, inspecció i vigilància d'instal lacions marines són alguns exemples de possibles aplicacions. Les principals contribucions d'aquesta tesi consisteixen per una banda en el desenvolupament de diferents sistemes de localització per a aquelles situacions on es disposa d'un mapa previ de l'entorn i per l'altra en el desenvolupament d'una nova solució al problema de la Localització i Construcció Simultània de Mapes (SLAM en les seves sigles en anglès), la finalitat del qual és fer que un vehicle autònom creï un mapa de l'entorn desconegut que el rodeja i, al mateix temps, utilitzi aquest mapa per a determinar la seva pròpia posició. S'ha escollit un sonar d'imatges d'escaneig mecànic com a sensor principal per a aquest treball tant pel seu relatiu baix cost com per la seva capacitat per produir una representació detallada de l'entorn. Per altra banda, les particularitats de la seva operació i, especialment, la baixa freqúència a la que es produeixen les mesures, constitueixen els principals inconvenients que s'han hagut d'abordar en les estratègies de localització proposades. Les solucions adoptades per aquests problemes constitueixen una altra contribució d'aquesta tesi. El desenvolupament de vehicles autònoms i el seu ús com a plataformes experimentals és un altre aspecte important d'aquest treball. Experiments portats a terme tant en el laboratori com en escenaris reals d'aplicació han proporcionat les dades necessàries per a provar i avaluar els diferents sistemes de localització proposats.

A proposal to estimate the motion of an underwater vehicle through visual mosaicking

This thesis proposes a solution to the problem of estimating the motion of an Unmanned Underwater Vehicle (UUV). Our approach is based on the integration of the incremental measurements which are provided by a vision system. When the vehicle is close to the underwater terrain, it constructs a visual map (so called "mosaic") of the area where the mission takes place while, at the same time, it localizes itself on this map, following the Concurrent Mapping and Localization strategy. The proposed methodology to achieve this goal is based on a feature-based mosaicking algorithm. A down-looking camera is attached to the underwater vehicle. As the vehicle moves, a sequence of images of the sea-floor is acquired by the camera. For every image of the sequence, a set of characteristic features is detected by means of a corner detector. Then, their correspondences are found in the next image of the sequence. Solving the correspondence problem in an accurate and reliable way is a difficult task in computer vision. We consider different alternatives to solve this problem by introducing a detailed analysis of the textural characteristics of the image. This is done in two phases: first comparing different texture operators individually, and next selecting those that best characterize the point/matching pair and using them together to obtain a more robust characterization. Various alternatives are also studied to merge the information provided by the individual texture operators. Finally, the best approach in terms of robustness and efficiency is proposed. After the correspondences have been solved, for every pair of consecutive images we obtain a list of image features in the first image and their matchings in the next frame. Our aim is now to recover the apparent motion of the camera from these features. Although an accurate texture analysis is devoted to the matching pro-cedure, some false matches (known as outliers) could still appear among the right correspon-dences. For this reason, a robust estimation technique is used to estimate the planar transformation (homography) which explains the dominant motion of the image. Next, this homography is used to warp the processed image to the common mosaic frame, constructing a composite image formed by every frame of the sequence. With the aim of estimating the position of the vehicle as the mosaic is being constructed, the 3D motion of the vehicle can be computed from the measurements obtained by a sonar altimeter and the incremental motion computed from the homography. Unfortunately, as the mosaic increases in size, image local alignment errors increase the inaccuracies associated to the position of the vehicle. Occasionally, the trajectory described by the vehicle may cross over itself. In this situation new information is available, and the system can readjust the position estimates. Our proposal consists not only in localizing the vehicle, but also in readjusting the trajectory described by the vehicle when crossover information is obtained. This is achieved by implementing an Augmented State Kalman Filter (ASKF). Kalman filtering appears as an adequate framework to deal with position estimates and their associated covariances. Finally, some experimental results are shown. A laboratory setup has been used to analyze and evaluate the accuracy of the mosaicking system. This setup enables a quantitative measurement of the accumulated errors of the mosaics created in the lab. Then, the results obtained from real sea trials using the URIS underwater vehicle are shown.

Control de posició del robot wifibot

Aquest projecte pretén presentar de forma clara i detallada l’estructura i el funcionament del robot així com dels components que el conformen. Aquesta informació és de vital importància a l’hora de desenvolupar aplicacions per al robot. Un cop descrites les característiques del robot s’analitzaran les eines necessàries i/o disponibles per poder desenvolupar programari per cada nivell de la forma més senzilla i eficient possible. Posteriorment s’analitzaran els diferents nivells de programació i se’n contrastaran els avantatges i els inconvenients de cada un. Aquest anàlisi es començarà fent pel nivell més alt i anirà baixant amb la intenció de no entrar en nivells més baixos del necessari. Baixar un nivell en la programació suposa haver de crear aplicacions sempre compatibles amb els nivells superiors de forma que com més es baixa més augmenta la complexitat. A partir d’aquest anàlisi s’ha arribat a la conclusió que per tal d’aprofitar totes les prestacions del robot és precís arribar a programar en el nivell més baix del robot. Finalment l’objectiu és obtenir una sèrie de programes per cada nivell que permetin controlar el robot i fer-lo seguir senzilles trajectòries

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

Iniciación del alumno al campo de la investigación en una asignatura multidisciplinar orientada a la robótica

La asignatura de libre elección en la que se realizó la experiencia que se indica pretende ser un trampolín de iniciación para aquellos alumnos de la Universidad Europea de Madrid que tengan inquietud por descubrir el mundo de la robótica. Con una clase de alumnos procedentes de muchas titulaciones distintas, Licenciado en Odontología, Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos, Ingeniero Industrial, Ingeniero Informático, Ingeniero en Telecomunicaciones, Técnicos en Obras Públicas y alumnos internacionales, el reto de hacer de la asignatura algo interesante para ellos implicaba saber adaptarse a distintos niveles tanto disciplinar (varias carreras) como académico (los alumnos eran tanto de los primeros cursos como de los últimos). Basándose en el uso del portafolio y el aprendizaje basado en problemas se fueron inculcando los conocimientos básicos necesarios para desarrollar lo que sería el final de la asignatura. Este objetivo final es el que hizo que los alumnos vieran de cerca la labor de un investigador y un grupo de trabajo multidisciplinar. El reto consistió en que debían hacer una solicitud 'ficticia' de un proyecto PROFIT. Los PROFIT constituyen programas de ayuda y fomento a la investigación técnica convocados por el Ministerio de Industria, Turismo y Comercio. Las plantillas son accesibles desde Internet y de esta forma los alumnos pudieron realizar una memoria clara y precisa de sus proyectos. Además, como elemento final de evaluación se invitó a dos profesores expertos en robótica de otra universidad al día de la presentación en el que los alumnos entregaban la memoria y defendían sus trabajos. Tres profesores en total, dos de otra universidad y el profesor de la asignatura asistieron a su defensa y pusieron de manera independiente los trabajos en orden según sus preferencias, al ser 5 grupos la nota debía ponerse entre 10, 9, 8, 7 y 6. La media de la decisión de los tres profesores configuró la nota final

Estudio de la extracción química del fe en madera arqueológica subacuatica tratada previamente con peg 4000

Debido a la gran cantidad de muestras arqueológicas impregnadas con PEG que se encuentran contaminadas por compuestos insolubles de hierro, se plantea la posible extracción y formación de complejos Fe-L (L=PBTC) y sus efectos en (i) la estructura de la matriz orgánica, (ii) la estructura y propiedades físicas del PEG y (iii) el comportamiento de la muestra en la etapa posterior de almacenamiento. El proyecto analiza la formación de compuestos químicos y posibles modificaciones estructurales en el proceso de extracción del hierro. Consiste en un estudio sistemático de un sistema químico y su influencia en los procesos de precipitación de Fe3+ en medio acuoso. El proyecto se fundamenta en: (1) desarrollar un proceso experimental de optimización para la extracción de las sales contaminantes y (2) encontrar las técnicas analíticas óptimas que permitan apreciar modificaciones estructurales de los diferentes sistemas. Se determina la cantidad de hierro extraído mediante A.A. Las interacciones entre PBTC y PEG se analizan por IR. Las modificaciones de determinadas propiedades físicas se determinan por DSC y las estructurales mediante SEM. En las condiciones termodinámicas óptimas se obtiene una extracción superficial del hierro (30-35%). La disolución del PEG origina modificaciones de la masa y el volumen de la muestra

Immersió!

Vint-i-un estudiants de l'IES Castell d'Estela d'Amer han participat durant tres dies en una experiència de recerca amb els investigadors del centre ViCOROB de la UdG

An hybrid methodology for RL-based behavior coordination in a target following mission with an AUV

Proposes a behavior-based scheme for high-level control of autonomous underwater vehicles (AUVs). Two main characteristics can be highlighted in the control scheme. Behavior coordination is done through a hybrid methodology, which takes in advantages of the robustness and modularity in competitive approaches, as well as optimized trajectories

Colour image processing

In the context of the round table the following topics related to image colour processing will be discussed: historical point of view. Studies of Aguilonius, Gerritsen, Newton and Maxwell. CIE standard (Commission International de lpsilaEclaraige). Colour models. RGB, HIS, etc. Colour segmentation based on HSI model. Industrial applications. Summary and discussion. At the end, video images showing the robustness of colour in front of B/W images will be presented

Hybrid coordination of reinforcement learning-based behaviors for AUV control

This paper proposes a hybrid coordination method for behavior-based control architectures. The hybrid method takes advantages of the robustness and modularity in competitive approaches as well as optimized trajectories in cooperative ones. This paper shows the feasibility of applying this hybrid method with a 3D-navigation to an autonomous underwater vehicle (AUV). The behaviors are learnt online by means of reinforcement learning. A continuous Q-learning implemented with a feed-forward neural network is employed. Realistic simulations were carried out. The results obtained show the good performance of the hybrid method on behavior coordination as well as the convergence of the behaviors

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

Semi-online neural-Q_leaming for real-time robot learning

Reinforcement learning (RL) is a very suitable technique for robot learning, as it can learn in unknown environments and in real-time computation. The main difficulties in adapting classic RL algorithms to robotic systems are the generalization problem and the correct observation of the Markovian state. This paper attempts to solve the generalization problem by proposing the semi-online neural-Q_learning algorithm (SONQL). The algorithm uses the classic Q_learning technique with two modifications. First, a neural network (NN) approximates the Q_function allowing the use of continuous states and actions. Second, a database of the most representative learning samples accelerates and stabilizes the convergence. The term semi-online is referred to the fact that the algorithm uses the current but also past learning samples. However, the algorithm is able to learn in real-time while the robot is interacting with the environment. The paper shows simulated results with the "mountain-car" benchmark and, also, real results with an underwater robot in a target following behavior

Towards Direct Policy Search Reinforcement Learning for Robot Control

This paper proposes a high-level reinforcement learning (RL) control system for solving the action selection problem of an autonomous robot. Although the dominant approach, when using RL, has been to apply value function based algorithms, the system here detailed is characterized by the use of direct policy search methods. Rather than approximating a value function, these methodologies approximate a policy using an independent function approximator with its own parameters, trying to maximize the future expected reward. The policy based algorithm presented in this paper is used for learning the internal state/action mapping of a behavior. In this preliminary work, we demonstrate its feasibility with simulated experiments using the underwater robot GARBI in a target reaching task

A system to evaluate the accuracy of a visual mosaicking methodology

When underwater vehicles navigate close to the ocean floor, computer vision techniques can be applied to obtain motion estimates. A complete system to create visual mosaics of the seabed is described in this paper. Unfortunately, the accuracy of the constructed mosaic is difficult to evaluate. The use of a laboratory setup to obtain an accurate error measurement is proposed. The system consists on a robot arm carrying a downward looking camera. A pattern formed by a white background and a matrix of black dots uniformly distributed along the surveyed scene is used to find the exact image registration parameters. When the robot executes a trajectory (simulating the motion of a submersible), an image sequence is acquired by the camera. The estimated motion computed from the encoders of the robot is refined by detecting, to subpixel accuracy, the black dots of the image sequence, and computing the 2D projective transform which relates two consecutive images. The pattern is then substituted by a poster of the sea floor and the trajectory is executed again, acquiring the image sequence used to test the accuracy of the mosaicking system