Towards persistent indoor appearance-based localization, mapping and navigation using CAT-Graph

The challenge of persistent appearance-based navigation and mapping is to develop an autonomous robotic vision system that can simultaneously localize, map and navigate over the lifetime of the robot. However, the computation time and memory requirements of current appearance-based methods typically scale not only with the size of the environment but also with the operation time of the platform; also, repeated revisits to locations will develop multiple competing representations which reduce recall performance. In this paper we present a solution to the persistent localization, mapping and global path planning problem in the context of a delivery robot in an office environment over a one-week period. Using a graphical appearance-based SLAM algorithm, CAT-Graph, we demonstrate constant time and memory loop closure detection with minimal degradation during repeated revisits to locations, along with topological path planning that improves over time without using a global metric representation. We compare the localization performance of CAT-Graph to openFABMAP, an appearance-only SLAM algorithm, and the path planning performance to occupancy-grid based metric SLAM. We discuss the limitations of the algorithm with regard to environment change over time and illustrate how the topological graph representation can be coupled with local movement behaviors for persistent autonomous robot navigation.

Designing mobile systems for social navigation in urban public places

This thesis presents social requirements and design considerations from a study evaluating interactive approaches to social navigation and user-generated information sharing in urban environments using mobile devices. It investigates innovative ways to leverage mobile information and communication technology in order to provide a social navigation platform for residents and visitors in and for public urban places. Through a design case study this work presents CityFlocks, a mobile information system that offers an easy way for information-seeking new residents or visitors to access tacit knowledge from local people about their new community. It is intended to enable visitors and new residents in a city to tap into the knowledge and experiences of local residents in order to gather information about their new environment. Its design specifically aims to lower existing barriers of access and facilitate social navigation in urban places. In various user tests it evaluates two general user interaction alternatives – direct and indirect social navigation – and analyses which interaction method works better for people using a mobile device to socially navigate urban environments. The outcomes are relevant for the user interaction design of future mobile information systems that leverage the social navigation approach.

Towards robotic visual and acoustic stealth for outdoor dynamic target tracking

Covertly tracking mobile targets, either animal or human, in previously unmapped outdoor natural environments using off-road robotic platforms requires both visual and acoustic stealth. Whilst the use of robots for stealthy surveillance is not new, the majority only consider navigation for visual covertness. However, most fielded robotic systems have a non-negligible acoustic footprint arising from the onboard sensors, motors, computers and cooling systems, and also from the wheels interacting with the terrain during motion. This time-varying acoustic signature can jeopardise any visual covertness and needs to be addressed in any stealthy navigation strategy. In previous work, we addressed the initial concepts for acoustically masking a tracking robot’s movements as it travels between observation locations selected to minimise its detectability by a dynamic natural target and ensuring con- tinuous visual tracking of the target. This work extends the overall concept by examining the utility of real-time acoustic signature self-assessment and exploiting shadows as hiding locations for use in a combined visual and acoustic stealth framework.

High-frequency global navigation satellite system’s receivers for airborne gravimetry

The development of global navigation satellite systems (GNSS) provides a solution of many applied problems with increasingly higher quality and accuracy nowadays. Researches that are carried out by the Bavarian Academy of Sciences and Humanities in Munich (BAW) in the field of airborne gravimetry are based on sophisticated data processing from high frequency GNSS receiver for kinematic aircraft positioning. Applied algorithms for inertial acceleration determination are based on the high sampling rate (50Hz) and on reducing of such factors as ionosphere scintillation and multipath at aircraft /antenna near field effects. The quality of the GNSS derived kinematic height are studied also by intercomparison with lift height variations collected by a precise high sampling rate vertical scale [1]. This work is aimed at the ways of more accurate determination of mini-aircraft altitude by means of high frequency GNSS receivers, in particular by considering their dynamic behaviour.

Vision based guidance for robot navigation in agriculture

This paper describes a novel vision based texture tracking method to guide autonomous vehicles in agricultural fields where the crop rows are challenging to detect. Existing methods require sufficient visual difference between the crop and soil for segmentation, or explicit knowledge of the structure of the crop rows. This method works by extracting and tracking the direction and lateral offset of the dominant parallel texture in a simulated overhead view of the scene and hence abstracts away crop-specific details such as colour, spacing and periodicity. The results demonstrate that the method is able to track crop rows across fields with extremely varied appearance during day and night. We demonstrate this method can autonomously guide a robot along the crop rows.

Superpixel-based appearance change prediction for long-term navigation across seasons

Changing environments pose a serious problem to current robotic systems aiming at long term operation under varying seasons or local weather conditions. This paper is built on our previous work where we propose to learn to predict the changes in an environment. Our key insight is that the occurring scene changes are in part systematic, repeatable and therefore predictable. The goal of our work is to support existing approaches to place recognition by learning how the visual appearance of an environment changes over time and by using this learned knowledge to predict its appearance under different environmental conditions. We describe the general idea of appearance change prediction (ACP) and investigate properties of our novel implementation based on vocabularies of superpixels (SP-ACP). Our previous work showed that the proposed approach significantly improves the performance of SeqSLAM and BRIEF-Gist for place recognition on a subset of the Nordland dataset under extremely different environmental conditions in summer and winter. This paper deepens the understanding of the proposed SP-ACP system and evaluates the influence of its parameters. We present the results of a large-scale experiment on the complete 10 h Nordland dataset and appearance change predictions between different combinations of seasons.

Robot navigation using human cues: A robot navigation system for symbolic goal-directed exploration

In this paper we present for the first time a complete symbolic navigation system that performs goal-directed exploration to unfamiliar environments on a physical robot. We introduce a novel construct called the abstract map to link provided symbolic spatial information with observed symbolic information and actual places in the real world. Symbolic information is observed using a text recognition system that has been developed specifically for the application of reading door labels. In the study described in this paper, the robot was provided with a floor plan and a destination. The destination was specified by a room number, used both in the floor plan and on the door to the room. The robot autonomously navigated to the destination using its text recognition, abstract map, mapping, and path planning systems. The robot used the symbolic navigation system to determine an efficient path to the destination, and reached the goal in two different real-world environments. Simulation results show that the system reduces the time required to navigate to a goal when compared to random exploration.

Automated cross-modal mapping in robotic eye/hand systems using plastic radial basis function networks

Q. Meng and M. H Lee, Automated cross-modal mapping in robotic eye/hand systems using plastic radial basis function networks, Connection Science, 19(1), pp 25-52, 2007.

Biologically inspired automatic construction of cross-modal mapping in robotic eye/hand systems

Q. Meng and M.H. Lee, 'Biologically inspired automatic construction of cross-modal mapping in robotic eye/hand systems', IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2006,) ,4742-49, Beijing, 2006.

Automatic information and safety systems for driving assistance

O objeto principal desta tese é o estudo de algoritmos de processamento e representação automáticos de dados, em particular de informação obtida por sensores montados a bordo de veículos (2D e 3D), com aplicação em contexto de sistemas de apoio à condução. O trabalho foca alguns dos problemas que, quer os sistemas de condução automática (AD), quer os sistemas avançados de apoio à condução (ADAS), enfrentam hoje em dia. O documento é composto por duas partes. A primeira descreve o projeto, construção e desenvolvimento de três protótipos robóticos, incluindo pormenores associados aos sensores montados a bordo dos robôs, algoritmos e arquitecturas de software. Estes robôs foram utilizados como plataformas de ensaios para testar e validar as técnicas propostas. Para além disso, participaram em várias competições de condução autónoma tendo obtido muito bons resultados. A segunda parte deste documento apresenta vários algoritmos empregues na geração de representações intermédias de dados sensoriais. Estes podem ser utilizados para melhorar técnicas já existentes de reconhecimento de padrões, deteção ou navegação, e por este meio contribuir para futuras aplicações no âmbito dos AD ou ADAS. Dado que os veículos autónomos contêm uma grande quantidade de sensores de diferentes naturezas, representações intermédias são particularmente adequadas, pois podem lidar com problemas relacionados com as diversas naturezas dos dados (2D, 3D, fotométrica, etc.), com o carácter assíncrono dos dados (multiplos sensores a enviar dados a diferentes frequências), ou com o alinhamento dos dados (problemas de calibração, diferentes sensores a disponibilizar diferentes medições para um mesmo objeto). Neste âmbito, são propostas novas técnicas para a computação de uma representação multi-câmara multi-modal de transformação de perspectiva inversa, para a execução de correcção de côr entre imagens de forma a obter mosaicos de qualidade, ou para a geração de uma representação de cena baseada em primitivas poligonais, capaz de lidar com grandes quantidades de dados 3D e 2D, tendo inclusivamente a capacidade de refinar a representação à medida que novos dados sensoriais são recebidos.

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.

Global navigation satellite systems e a gestão do espaço aéreo

- Introdução - Sistemas actuais - Galileo - Comparação - Aplicabilidade - Futuro - Referências