Physics-based Simulation of Continuous-Wave LIDAR for Localization, Calibration and Tracking

Light Detection and Ranging (LIDAR) sensors play an important role in the perception stack of autonomous robots, supplying mapping and localization pipelines with depth measurements of the environment. While their accuracy outperforms other types of depth sensors, such as stereo or time-of-flight cameras, the accurate modeling of LIDAR sensors requires laborious manual calibration that typically does not take into account the interaction of laser light with different surface types, incidence angles and other phenomena that significantly influence measurements. In this work, we introduce a physically plausible model of a 2D continuous-wave LIDAR that accounts for the surface-light interactions and simulates the measurement process in the Hokuyo URG-04LX LIDAR. Through automatic differentiation, we employ gradient-based optimization to estimate model parameters from real sensor measurements.Comment: Published at ICRA 202

Quantifying and improving laser range data when scanning industrial materials

This paper presents the procedure and results of a performance study of a miniature laser range scanner, along with a novel error correction calibration. Critically, the study investigates the accuracy and performance of the ranger sensor when scanning large industrial materials over a range of distances. Additionally, the study investigated the effects of small orientation angle changes of the scanner, in a similar manner to which it would experience when being deployed on a mobile robotic platform. A detailed process of error measurement and visualisation was undertaken on a number of parameters, not limited to traditional range data but also received intensity and amplifier gain. This work highlights that significant range distance errors are introduced when optically laser scanning common industrial materials, such as aluminum and stainless steel. The specular reflective nature of some materials results in large deviation in range data from the true value, with mean RMSE errors as high as 100.12 mm recorded. The correction algorithm was shown to reduce the RMSE error associated with range estimation on a planar aluminium surface from 6.48% to 1.39% of the true distance range

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