Vision based obstacle detection for all-terrain robots

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de ComputadoresThis dissertation presents a solution to the problem of obstacle detection in all-terrain environments,with particular interest for mobile robots equipped with a stereo vision sensor. Despite the advantages of vision, over other kind of sensors, such as low cost, light weight and reduced energetic footprint, its usage still presents a series of challenges. These include the difficulty in dealing with the considerable amount of generated data, and the robustness required to manage high levels of noise. Such problems can be diminished by making hard assumptions, like considering that the terrain in front of the robot is planar. Although computation can be considerably saved, such simplifications are not necessarily acceptable in more complex environments, where the terrain may be considerably uneven. This dissertation proposes to extend a well known obstacle detector that relaxes the aforementioned planar terrain assumption, thus rendering it more adequate for unstructured environments. The proposed extensions involve: (1) the introduction of a visual saliency mechanism to focus the detection in regions most likely to contain obstacles; (2) voting filters to diminish sensibility to noise; and (3) the fusion of the detector with a complementary method to create a hybrid solution, and thus, more robust. Experimental results obtained with demanding all-terrain images show that, with the proposed extensions, an increment in terms of robustness and computational efficiency over the original algorithm is observe

Visual attention and swarm cognition for off-road robots

Tese de doutoramento, Informática (Engenharia Informática), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2011Esta tese aborda o problema da modelação de atenção visual no contexto de robôs autónomos todo-o-terreno. O objectivo de utilizar mecanismos de atenção visual é o de focar a percepção nos aspectos do ambiente mais relevantes à tarefa do robô. Esta tese mostra que, na detecção de obstáculos e de trilhos, esta capacidade promove robustez e parcimónia computacional. Estas são características chave para a rapidez e eficiência dos robôs todo-o-terreno. Um dos maiores desafios na modelação de atenção visual advém da necessidade de gerir o compromisso velocidade-precisão na presença de variações de contexto ou de tarefa. Esta tese mostra que este compromisso é resolvido se o processo de atenção visual for modelado como um processo auto-organizado, cuja operação é modulada pelo módulo de selecção de acção, responsável pelo controlo do robô. Ao fechar a malha entre o processo de selecção de acção e o de percepção, o último é capaz de operar apenas onde é necessário, antecipando as acções do robô. Para fornecer atenção visual com propriedades auto-organizadas, este trabalho obtém inspiração da Natureza. Concretamente, os mecanismos responsáveis pela capacidade que as formigas guerreiras têm de procurar alimento de forma auto-organizada, são usados como metáfora na resolução da tarefa de procurar, também de forma auto-organizada, obstáculos e trilhos no campo visual do robô. A solução proposta nesta tese é a de colocar vários focos de atenção encoberta a operar como um enxame, através de interacções baseadas em feromona. Este trabalho representa a primeira realização corporizada de cognição de enxame. Este é um novo campo de investigação que procura descobrir os princípios básicos da cognição, inspeccionando as propriedades auto-organizadas da inteligência colectiva exibida pelos insectos sociais. Logo, esta tese contribui para a robótica como disciplina de engenharia e para a robótica como disciplina de modelação, capaz de suportar o estudo do comportamento adaptável.Esta tese aborda o problema da modelação de atenção visual no contexto de robôs autónomos todo-o-terreno. O objectivo de utilizar mecanismos de atenção visual é o de focar a percepção nos aspectos do ambiente mais relevantes à tarefa do robô. Esta tese mostra que, na detecção de obstáculos e de trilhos, esta capacidade promove robustez e parcimónia computacional. Estas são características chave para a rapidez e eficiência dos robôs todo-o-terreno. Um dos maiores desafios na modelação de atenção visual advém da necessidade de gerir o compromisso velocidade-precisão na presença de variações de contexto ou de tarefa. Esta tese mostra que este compromisso é resolvido se o processo de atenção visual for modelado como um processo auto-organizado, cuja operação é modulada pelo módulo de selecção de acção, responsável pelo controlo do robô. Ao fechar a malha entre o processo de selecção de acção e o de percepção, o último é capaz de operar apenas onde é necessário, antecipando as acções do robô. Para fornecer atenção visual com propriedades auto-organizadas, este trabalho obtém inspi- ração da Natureza. Concretamente, os mecanismos responsáveis pela capacidade que as formi- gas guerreiras têm de procurar alimento de forma auto-organizada, são usados como metáfora na resolução da tarefa de procurar, também de forma auto-organizada, obstáculos e trilhos no campo visual do robô. A solução proposta nesta tese é a de colocar vários focos de atenção encoberta a operar como um enxame, através de interacções baseadas em feromona. Este trabalho representa a primeira realização corporizada de cognição de enxame. Este é um novo campo de investigação que procura descobrir os princípios básicos da cognição, ins- peccionando as propriedades auto-organizadas da inteligência colectiva exibida pelos insectos sociais. Logo, esta tese contribui para a robótica como disciplina de engenharia e para a robótica como disciplina de modelação, capaz de suportar o estudo do comportamento adaptável.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT,SFRH/BD/27305/2006); Laboratory of Agent Modelling (LabMag

On Collaborative Aerial and Surface Robots for Environmental Monitoring of Water Bodies

Part 8: Robotics and ManufacturingInternational audienceRemote monitoring is an essential task to help maintaining Earth ecosystems. A notorious example is the monitoring of riverine environments. The solution purposed in this paper is to use an electric boat (ASV - Autonomous Surface Vehicle) operating in symbiosis with a quadrotor (UAV – Unmanned Air Vehicle). We present the architecture and solutions adopted and at the same time compare it with other examples of collaborative robotics systems, in what we expected could be used as a survey for other persons doing collaborative robotics systems. The architecture here purposed will exploit the symbiotic partnership between both robots by covering the perception, navigation, coordination, and integration aspects

Fast, Accurate Thin-Structure Obstacle Detection for Autonomous Mobile Robots

Safety is paramount for mobile robotic platforms such as self-driving cars and unmanned aerial vehicles. This work is devoted to a task that is indispensable for safety yet was largely overlooked in the past -- detecting obstacles that are of very thin structures, such as wires, cables and tree branches. This is a challenging problem, as thin objects can be problematic for active sensors such as lidar and sonar and even for stereo cameras. In this work, we propose to use video sequences for thin obstacle detection. We represent obstacles with edges in the video frames, and reconstruct them in 3D using efficient edge-based visual odometry techniques. We provide both a monocular camera solution and a stereo camera solution. The former incorporates Inertial Measurement Unit (IMU) data to solve scale ambiguity, while the latter enjoys a novel, purely vision-based solution. Experiments demonstrated that the proposed methods are fast and able to detect thin obstacles robustly and accurately under various conditions.Comment: Appeared at IEEE CVPR 2017 Workshop on Embedded Visio

Multi-sensor based object detection in driving scenes

The work done in this internship consists in two main part. The first part is the design of an experimental platform to acquire data for testing and training. To design the experiments, onboard and onroad sensors have been considered. A calibration process has been conducted in order to integrated all the data from different sources. The second part was the use of a stereo system and a laser scanner to extract the free navigable space and to detect obstacles. This has been conducted through the use of an occupancy grid map representation