Percepção do ambiente urbano e navegação usando visão robótica : concepção e implementação aplicado à veículo autônomo

Orientadores: Janito Vaqueiro Ferreira, Alessandro Corrêa VictorinoTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: O desenvolvimento de veículos autônomos capazes de se locomover em ruas urbanas pode proporcionar importantes benefícios na redução de acidentes, no aumentando da qualidade de vida e também na redução de custos. Veículos inteligentes, por exemplo, frequentemente baseiam suas decisões em observações obtidas a partir de vários sensores tais como LIDAR, GPS e câmeras. Atualmente, sensores de câmera têm recebido grande atenção pelo motivo de que eles são de baixo custo, fáceis de utilizar e fornecem dados com rica informação. Ambientes urbanos representam um interessante mas também desafiador cenário neste contexto, onde o traçado das ruas podem ser muito complexos, a presença de objetos tais como árvores, bicicletas, veículos podem gerar observações parciais e também estas observações são muitas vezes ruidosas ou ainda perdidas devido a completas oclusões. Portanto, o processo de percepção por natureza precisa ser capaz de lidar com a incerteza no conhecimento do mundo em torno do veículo. Nesta tese, este problema de percepção é analisado para a condução nos ambientes urbanos associado com a capacidade de realizar um deslocamento seguro baseado no processo de tomada de decisão em navegação autônoma. Projeta-se um sistema de percepção que permita veículos robóticos a trafegar autonomamente nas ruas, sem a necessidade de adaptar a infraestrutura, sem o conhecimento prévio do ambiente e considerando a presença de objetos dinâmicos tais como veículos. Propõe-se um novo método baseado em aprendizado de máquina para extrair o contexto semântico usando um par de imagens estéreo, a qual é vinculada a uma grade de ocupação evidencial que modela as incertezas de um ambiente urbano desconhecido, aplicando a teoria de Dempster-Shafer. Para a tomada de decisão no planejamento do caminho, aplica-se a abordagem dos tentáculos virtuais para gerar possíveis caminhos a partir do centro de referencia do veículo e com base nisto, duas novas estratégias são propostas. Em primeiro, uma nova estratégia para escolher o caminho correto para melhor evitar obstáculos e seguir a tarefa local no contexto da navegação hibrida e, em segundo, um novo controle de malha fechada baseado na odometria visual e o tentáculo virtual é modelado para execução do seguimento de caminho. Finalmente, um completo sistema automotivo integrando os modelos de percepção, planejamento e controle são implementados e validados experimentalmente em condições reais usando um veículo autônomo experimental, onde os resultados mostram que a abordagem desenvolvida realiza com sucesso uma segura navegação local com base em sensores de câmeraAbstract: The development of autonomous vehicles capable of getting around on urban roads can provide important benefits in reducing accidents, in increasing life comfort and also in providing cost savings. Intelligent vehicles for example often base their decisions on observations obtained from various sensors such as LIDAR, GPS and Cameras. Actually, camera sensors have been receiving large attention due to they are cheap, easy to employ and provide rich data information. Inner-city environments represent an interesting but also very challenging scenario in this context, where the road layout may be very complex, the presence of objects such as trees, bicycles, cars might generate partial observations and also these observations are often noisy or even missing due to heavy occlusions. Thus, perception process by nature needs to be able to deal with uncertainties in the knowledge of the world around the car. While highway navigation and autonomous driving using a prior knowledge of the environment have been demonstrating successfully, understanding and navigating general inner-city scenarios with little prior knowledge remains an unsolved problem. In this thesis, this perception problem is analyzed for driving in the inner-city environments associated with the capacity to perform a safe displacement based on decision-making process in autonomous navigation. It is designed a perception system that allows robotic-cars to drive autonomously on roads, without the need to adapt the infrastructure, without requiring previous knowledge of the environment and considering the presence of dynamic objects such as cars. It is proposed a novel method based on machine learning to extract the semantic context using a pair of stereo images, which is merged in an evidential grid to model the uncertainties of an unknown urban environment, applying the Dempster-Shafer theory. To make decisions in path-planning, it is applied the virtual tentacle approach to generate possible paths starting from ego-referenced car and based on it, two news strategies are proposed. First one, a new strategy to select the correct path to better avoid obstacles and to follow the local task in the context of hybrid navigation, and second, a new closed loop control based on visual odometry and virtual tentacle is modeled to path-following execution. Finally, a complete automotive system integrating the perception, path-planning and control modules are implemented and experimentally validated in real situations using an experimental autonomous car, where the results show that the developed approach successfully performs a safe local navigation based on camera sensorsDoutoradoMecanica dos Sólidos e Projeto MecanicoDoutor em Engenharia Mecânic

Contributions to Intelligent Scene Understanding of Unstructured Environments from 3D lidar sensors

Además, la viabilidad de este enfoque es evaluado mediante la implementación de cuatro tipos de clasificadores de aprendizaje supervisado encontrados en métodos de procesamiento de escenas: red neuronal, máquina de vectores de soporte, procesos gaussianos, y modelos de mezcla gaussiana. La segmentación de objetos es un paso más allá hacia el entendimiento de escena, donde conjuntos de puntos 3D correspondientes al suelo y otros objetos de la escena son aislados. La tesis propone nuevas contribuciones a la segmentación de nubes de puntos basados en mapas de vóxeles caracterizados geométricamente. En concreto, la metodología propuesta se compone de dos pasos: primero, una segmentación del suelo especialmente diseñado para entornos naturales; y segundo, el posterior aislamiento de objetos individuales. Además, el método de segmentación del suelo es integrado en una nueva técnica de mapa de navegabilidad basado en cuadrícula de ocupación el cuál puede ser apropiado para robots móviles en entornos naturales. El diseño y desarrollo de un nuevo y asequible sensor lidar 3D de alta resolución también se ha propuesto en la tesis. Los nuevos MBLs, tales como los desarrollados por Velodyne, están siendo cada vez más un tipo de sensor 3D asequible y popular que ofrece alto ratio de datos en un campo de visión vertical (FOV) limitado. El diseño propuesto consiste en una plataforma giratoria que mejora la resolución y el FOV vertical de un Velodyne VLP-16 de 16 haces. Además, los complejos patrones de escaneo producidos por configuraciones de MBL que rotan se analizan tanto en simulaciones de esfera hueca como en escáneres reales en entornos representativos. Fecha de Lectura de Tesis: 11 de julio 2018.Ingeniería de Sistemas y Automática Resumen tesis: Los sensores lidar 3D son una tecnología clave para navegación, localización, mapeo y entendimiento de escenas en vehículos no tripulados y robots móviles. Esta tecnología, que provee nubes de puntos densas, puede ser especialmente adecuada para nuevas aplicaciones en entornos naturales o desestructurados, tales como búsqueda y rescate, exploración planetaria, agricultura, o exploración fuera de carretera. Esto es un desafío como área de investigación que incluye disciplinas que van desde el diseño de sensor a la inteligencia artificial o el aprendizaje automático (machine learning). En este contexto, esta tesis propone contribuciones al entendimiento inteligente de escenas en entornos desestructurados basado en medidas 3D de distancia a nivel del suelo. En concreto, las contribuciones principales incluyen nuevas metodologías para la clasificación de características espaciales, segmentación de objetos, y evaluación de navegabilidad en entornos naturales y urbanos, y también el diseño y desarrollo de un nuevo lidar rotatorio multi-haz (MBL). La clasificación de características espaciales es muy relevante porque es extensamente requerida como un paso fundamental previo a los problemas de entendimiento de alto nivel de una escena. Las contribuciones de la tesis en este respecto tratan de mejorar la eficacia, tanto en carga computacional como en precisión, de clasificación de aprendizaje supervisado de características de forma espacial (forma tubular, plana o difusa) obtenida mediante el análisis de componentes principales (PCA). Esto se ha conseguido proponiendo un concepto eficiente de vecindario basado en vóxel en una contribución original que define los procedimientos de aprendizaje “offline” y clasificación “online” a la vez que cinco definiciones alternativas de vectores de características basados en PCA

Laser-Based Detection and Tracking of Moving Obstacles to Improve Perception of Unmanned Ground Vehicles

El objetivo de esta tesis es desarrollar un sistema que mejore la etapa de percepción de vehículos terrestres no tripulados (UGVs) heterogéneos, consiguiendo con ello una navegación robusta en términos de seguridad y ahorro energético en diferentes entornos reales, tanto interiores como exteriores. La percepción debe tratar con obstáculos estáticos y dinámicos empleando sensores heterogéneos, tales como, odometría, sensor de distancia láser (LIDAR), unidad de medida inercial (IMU) y sistema de posicionamiento global (GPS), para obtener la información del entorno con la precisión más alta, permitiendo mejorar las etapas de planificación y evitación de obstáculos. Para conseguir este objetivo, se propone una etapa de mapeado de obstáculos dinámicos (DOMap) que contiene la información de los obstáculos estáticos y dinámicos. La propuesta se basa en una extensión del filtro de ocupación bayesiana (BOF) incluyendo velocidades no discretizadas. La detección de velocidades se obtiene con Flujo Óptico sobre una rejilla de medidas LIDAR discretizadas. Además, se gestionan las oclusiones entre obstáculos y se añade una etapa de seguimiento multi-hipótesis, mejorando la robustez de la propuesta (iDOMap). La propuesta ha sido probada en entornos simulados y reales con diferentes plataformas robóticas, incluyendo plataformas comerciales y la plataforma (PROPINA) desarrollada en esta tesis para mejorar la colaboración entre equipos de humanos y robots dentro del proyecto ABSYNTHE. Finalmente, se han propuesto métodos para calibrar la posición del LIDAR y mejorar la odometría con una IMU

Lidar-based Obstacle Detection and Recognition for Autonomous Agricultural Vehicles

Today, agricultural vehicles are available that can drive autonomously and follow exact route plans more precisely than human operators. Combined with advancements in precision agriculture, autonomous agricultural robots can reduce manual labor, improve workflow, and optimize yield. However, as of today, human operators are still required for monitoring the environment and acting upon potential obstacles in front of the vehicle. To eliminate this need, safety must be ensured by accurate and reliable obstacle detection and avoidance systems.In this thesis, lidar-based obstacle detection and recognition in agricultural environments has been investigated. A rotating multi-beam lidar generating 3D point clouds was used for point-wise classification of agricultural scenes, while multi-modal fusion with cameras and radar was used to increase performance and robustness. Two research perception platforms were presented and used for data acquisition. The proposed methods were all evaluated on recorded datasets that represented a wide range of realistic agricultural environments and included both static and dynamic obstacles.For 3D point cloud classification, two methods were proposed for handling density variations during feature extraction. One method outperformed a frequently used generic 3D feature descriptor, whereas the other method showed promising preliminary results using deep learning on 2D range images. For multi-modal fusion, four methods were proposed for combining lidar with color camera, thermal camera, and radar. Gradual improvements in classification accuracy were seen, as spatial, temporal, and multi-modal relationships were introduced in the models. Finally, occupancy grid mapping was used to fuse and map detections globally, and runtime obstacle detection was applied on mapped detections along the vehicle path, thus simulating an actual traversal.The proposed methods serve as a first step towards full autonomy for agricultural vehicles. The study has thus shown that recent advancements in autonomous driving can be transferred to the agricultural domain, when accurate distinctions are made between obstacles and processable vegetation. Future research in the domain has further been facilitated with the release of the multi-modal obstacle dataset, FieldSAFE

Integrasjon av et minimalistisk sett av sensorer for kartlegging og lokalisering av landbruksroboter

Robots have recently become ubiquitous in many aspects of daily life. For in-house applications there is vacuuming, mopping and lawn-mowing robots. Swarms of robots have been used in Amazon warehouses for several years. Autonomous driving cars, despite being set back by several safety issues, are undeniably becoming the standard of the automobile industry. Not just being useful for commercial applications, robots can perform various tasks, such as inspecting hazardous sites, taking part in search-and-rescue missions. Regardless of end-user applications, autonomy plays a crucial role in modern robots. The essential capabilities required for autonomous operations are mapping, localization and navigation. The goal of this thesis is to develop a new approach to solve the problems of mapping, localization, and navigation for autonomous robots in agriculture. This type of environment poses some unique challenges such as repetitive patterns, large-scale sparse features environments, in comparison to other scenarios such as urban/cities, where the abundance of good features such as pavements, buildings, road lanes, traffic signs, etc., exists. In outdoor agricultural environments, a robot can rely on a Global Navigation Satellite System (GNSS) to determine its whereabouts. It is often limited to the robot's activities to accessible GNSS signal areas. It would fail for indoor environments. In this case, different types of exteroceptive sensors such as (RGB, Depth, Thermal) cameras, laser scanner, Light Detection and Ranging (LiDAR) and proprioceptive sensors such as Inertial Measurement Unit (IMU), wheel-encoders can be fused to better estimate the robot's states. Generic approaches of combining several different sensors often yield superior estimation results but they are not always optimal in terms of cost-effectiveness, high modularity, reusability, and interchangeability. For agricultural robots, it is equally important for being robust for long term operations as well as being cost-effective for mass production. We tackle this challenge by exploring and selectively using a handful of sensors such as RGB-D cameras, LiDAR and IMU for representative agricultural environments. The sensor fusion algorithms provide high precision and robustness for mapping and localization while at the same time assuring cost-effectiveness by employing only the necessary sensors for a task at hand. In this thesis, we extend the LiDAR mapping and localization methods for normal urban/city scenarios to cope with the agricultural environments where the presence of slopes, vegetation, trees render the traditional approaches to fail. Our mapping method substantially reduces the memory footprint for map storing, which is important for large-scale farms. We show how to handle the localization problem in dynamic growing strawberry polytunnels by using only a stereo visual-inertial (VI) and depth sensor to extract and track only invariant features. This eliminates the need for remapping to deal with dynamic scenes. Also, for a demonstration of the minimalistic requirement for autonomous agricultural robots, we show the ability to autonomously traverse between rows in a difficult environment of zigzag-liked polytunnel using only a laser scanner. Furthermore, we present an autonomous navigation capability by using only a camera without explicitly performing mapping or localization. Finally, our mapping and localization methods are generic and platform-agnostic, which can be applied to different types of agricultural robots. All contributions presented in this thesis have been tested and validated on real robots in real agricultural environments. All approaches have been published or submitted in peer-reviewed conference papers and journal articles.Roboter har nylig blitt standard i mange deler av hverdagen. I hjemmet har vi støvsuger-, vaske- og gressklippende roboter. Svermer med roboter har blitt brukt av Amazons varehus i mange år. Autonome selvkjørende biler, til tross for å ha vært satt tilbake av sikkerhetshensyn, er udiskutabelt på vei til å bli standarden innen bilbransjen. Roboter har mer nytte enn rent kommersielt bruk. Roboter kan utføre forskjellige oppgaver, som å inspisere farlige områder og delta i leteoppdrag. Uansett hva sluttbrukeren velger å gjøre, spiller autonomi en viktig rolle i moderne roboter. De essensielle egenskapene for autonome operasjoner i landbruket er kartlegging, lokalisering og navigering. Denne type miljø gir spesielle utfordringer som repetitive mønstre og storskala miljø med få landskapsdetaljer, sammenlignet med andre steder, som urbane-/bymiljø, hvor det finnes mange landskapsdetaljer som fortau, bygninger, trafikkfelt, trafikkskilt, etc. I utendørs jordbruksmiljø kan en robot bruke Global Navigation Satellite System (GNSS) til å navigere sine omgivelser. Dette begrenser robotens aktiviteter til områder med tilgjengelig GNSS signaler. Dette vil ikke fungere i miljøer innendørs. I ett slikt tilfelle vil reseptorer mot det eksterne miljø som (RGB-, dybde-, temperatur-) kameraer, laserskannere, «Light detection and Ranging» (LiDAR) og propriopsjonære detektorer som treghetssensorer (IMU) og hjulenkodere kunne brukes sammen for å bedre kunne estimere robotens tilstand. Generisk kombinering av forskjellige sensorer fører til overlegne estimeringsresultater, men er ofte suboptimale med hensyn på kostnadseffektivitet, moduleringingsgrad og utbyttbarhet. For landbruksroboter så er det like viktig med robusthet for lang tids bruk som kostnadseffektivitet for masseproduksjon. Vi taklet denne utfordringen med å utforske og selektivt velge en håndfull sensorer som RGB-D kameraer, LiDAR og IMU for representative landbruksmiljø. Algoritmen som kombinerer sensorsignalene gir en høy presisjonsgrad og robusthet for kartlegging og lokalisering, og gir samtidig kostnadseffektivitet med å bare bruke de nødvendige sensorene for oppgaven som skal utføres. I denne avhandlingen utvider vi en LiDAR kartlegging og lokaliseringsmetode normalt brukt i urbane/bymiljø til å takle landbruksmiljø, hvor hellinger, vegetasjon og trær gjør at tradisjonelle metoder mislykkes. Vår metode reduserer signifikant lagringsbehovet for kartlagring, noe som er viktig for storskala gårder. Vi viser hvordan lokaliseringsproblemet i dynamisk voksende jordbær-polytuneller kan løses ved å bruke en stereo visuel inertiel (VI) og en dybdesensor for å ekstrahere statiske objekter. Dette eliminerer behovet å kartlegge på nytt for å klare dynamiske scener. I tillegg demonstrerer vi de minimalistiske kravene for autonome jordbruksroboter. Vi viser robotens evne til å bevege seg autonomt mellom rader i ett vanskelig miljø med polytuneller i sikksakk-mønstre ved bruk av kun en laserskanner. Videre presenterer vi en autonom navigeringsevne ved bruk av kun ett kamera uten å eksplisitt kartlegge eller lokalisere. Til slutt viser vi at kartleggings- og lokaliseringsmetodene er generiske og platform-agnostiske, noe som kan brukes med flere typer jordbruksroboter. Alle bidrag presentert i denne avhandlingen har blitt testet og validert med ekte roboter i ekte landbruksmiljø. Alle forsøk har blitt publisert eller sendt til fagfellevurderte konferansepapirer og journalartikler