Contemporary Robotics

This book book is a collection of 18 chapters written by internationally recognized experts and well-known professionals of the field. Chapters contribute to diverse facets of contemporary robotics and autonomous systems. The volume is organized in four thematic parts according to the main subjects, regarding the recent advances in the contemporary robotics. The first thematic topics of the book are devoted to the theoretical issues. This includes development of algorithms for automatic trajectory generation using redudancy resolution scheme, intelligent algorithms for robotic grasping, modelling approach for reactive mode handling of flexible manufacturing and design of an advanced controller for robot manipulators. The second part of the book deals with different aspects of robot calibration and sensing. This includes a geometric and treshold calibration of a multiple robotic line-vision system, robot-based inline 2D/3D quality monitoring using picture-giving and laser triangulation, and a study on prospective polymer composite materials for flexible tactile sensors. The third part addresses issues of mobile robots and multi-agent systems, including SLAM of mobile robots based on fusion of odometry and visual data, configuration of a localization system by a team of mobile robots, development of generic real-time motion controller for differential mobile robots, control of fuel cells of mobile robots, modelling of omni-directional wheeled-based robots, building of hunter- hybrid tracking environment, as well as design of a cooperative control in distributed population-based multi-agent approach. The fourth part presents recent approaches and results in humanoid and bioinspirative robotics. It deals with design of adaptive control of anthropomorphic biped gait, building of dynamic-based simulation for humanoid robot walking, building controller for perceptual motor control dynamics of humans and biomimetic approach to control mechatronic structure using smart materials

Robust navigation for industrial service robots

Pla de Doctorats Industrials de la Generalitat de CatalunyaRobust, reliable and safe navigation is one of the fundamental problems of robotics. Throughout the present thesis, we tackle the problem of navigation for robotic industrial mobile-bases. We identify its components and analyze their respective challenges in order to address them. The research work presented here ultimately aims at improving the overall quality of the navigation stack of a commercially available industrial mobile-base. To introduce and survey the overall problem we first break down the navigation framework into clearly identified smaller problems. We examine the Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) problem, recalling its mathematical grounding and exploring the state of the art. We then review the problem of planning the trajectory of a mobile-base toward a desired goal in the generated environment representation. Finally we investigate and clarify the use of the subset of the Lie theory that is useful in robotics. The first problem tackled is the recognition of place for closing loops in SLAM. Loop closure refers to the ability of a robot to recognize a previously visited location and infer geometrical information between its current and past locations. Using only a 2D laser range finder sensor, we address the problem using a technique borrowed from the field of Natural Language Processing (NLP) which has been successfully applied to image-based place recognition, namely the Bag-of-Words. We further improve the method with two proposals inspired from NLP. Firstly, the comparison of places is strengthened by considering the natural relative order of features in each individual sensor reading. Secondly, topological correspondences between places in a corpus of visited places are established in order to promote together instances that are ‘close’ to one another. We then tackle the problem of motion model calibration for odometry estimation. Given a mobile-base embedding an exteroceptive sensor able to observe ego-motion, we propose a novel formulation for estimating the intrinsic parameters of an odometry motion model. Resorting to an adaptation of the pre-integration theory initially developed for inertial motion sensors, we employ iterative nonlinear on-manifold optimization to estimate the wheel radii and wheel separation. The method is further extended to jointly estimate both the intrinsic parameters of the odometry model together with the extrinsic parameters of the embedded sensor. The method is shown to accommodate to variation in model parameters quickly when the vehicle is subject to physical changes during operation. Following the generation of a map in which the robot is localized, we address the problem of estimating trajectories for motion planning. We devise a new method for estimating a sequence of robot poses forming a smooth trajectory. Regardless of the Lie group considered, the trajectory is seen as a collection of states lying on a spline with non-vanishing n-th derivatives at each point. Formulated as a multi-objective nonlinear optimization problem, it allows for the addition of cost functions such as velocity and acceleration limits, collision avoidance and more. The proposed method is evaluated for two different motion planning tasks, the planning of trajectories for a mobile-base evolving in the SE(2) manifold, and the planning of the motion of a multi-link robotic arm whose end-effector evolves in the SE(3) manifold. From our study of Lie theory, we developed a new, ready to use, programming library called `manif’. The library is open source, publicly available and is developed following good software programming practices. It is designed so that it is easy to integrate and manipulate, and allows for flexible use while facilitating the possibility to extend it beyond the already implemented Lie groups.La navegación autónoma es uno de los problemas fundamentales de la robótica, y sus diferentes desafíos se han estudiado durante décadas. El desarrollo de métodos de navegación robusta, confiable y segura es un factor clave para la creación de funcionalidades de nivel superior en robots diseñados para operar en entornos con humanos. A lo largo de la presente tesis, abordamos el problema de navegación para bases robóticas móviles industriales; identificamos los elementos de un sistema de navegación; y analizamos y tratamos sus desafíos. El trabajo de investigación presentado aquí tiene como último objetivo mejorar la calidad general del sistema completo de navegación de una base móvil industrial disponible comercialmente. Para estudiar el problema de navegación, primero lo desglosamos en problemas menores claramente identificados. Examinamos el subproblema de mapeo del entorno y localización del robot simultáneamente (SLAM por sus siglas en ingles) y estudiamos el estado del arte del mismo. Al hacerlo, recordamos y detallamos la base matemática del problema de SLAM. Luego revisamos el subproblema de planificación de trayectorias hacia una meta deseada en la representación del entorno generada. Además, como una herramienta para las soluciones que se presentarán más adelante en el desarrollo de la tesis, investigamos y aclaramos el uso de teoría de Lie, centrándonos en el subconjunto de la teoría que es útil para la estimación de estados en robótica. Como primer elemento identificado para mejoras, abordamos el problema de reconocimiento de lugares para cerrar lazos en SLAM. El cierre de lazos se refiere a la capacidad de un robot para reconocer una ubicación visitada previamente e inferí información geométrica entre la ubicación actual del robot y aquellas reconocidas. Usando solo un sensor láser 2D, la tarea es desafiante ya que la percepción del entorno que proporciona el sensor es escasa y limitada. Abordamos el problema utilizando 'bolsas de palabras', una técnica prestada del campo de procesamiento del lenguaje natural (NLP) que se ha aplicado con éxito anteriormente al reconocimiento de lugares basado en imágenes. Nuestro método incluye dos nuevas propuestas inspiradas también en NLP. Primero, la comparación entre lugares candidatos se fortalece teniendo en cuenta el orden relativo natural de las características en cada lectura individual del sensor; y segundo, se establece un corpus de lugares visitados para promover juntos instancias que están "cerca" la una de la otra desde un punto de vista topológico. Evaluamos nuestras propuestas por separado y conjuntamente en varios conjuntos de datos, con y sin ruido, demostrando mejora en la detección de cierres de lazo para sensores láser 2D, con respecto al estado del arte. Luego abordamos el problema de la calibración del modelo de movimiento para la estimación de la edometría. Dado que nuestra base móvil incluye un sensor exteroceptivo capaz de observar el movimiento de la plataforma, proponemos una nueva formulación que permite estimar los parámetros intrínsecos del modelo cinemático de la plataforma durante el cómputo de la edometría del vehículo. Hemos recurrido a una adaptación de la teoría de reintegración inicialmente desarrollado para unidades inerciales de medida, y aplicado la técnica a nuestro modelo cinemático. El método nos permite, mediante optimización iterativa no lineal, la estimación del valor del radio de las ruedas de forma independiente y de la separación entre las mismas. El método se amplía posteriormente par idéntica de forma simultánea, estos parámetros intrínsecos junto con los parámetros extrínsecos que ubican el sensor láser con respecto al sistema de referencia de la base móvil. El método se valida en simulación y en un entorno real y se muestra que converge hacia los verdaderos valores de los parámetros. El método permite la adaptación de los parámetros intrínsecos del modelo cinemático de la plataforma derivados de cambios físicos durante la operación, tales como el impacto que el cambio de carga sobre la plataforma tiene sobre el diámetro de las ruedas. Como tercer subproblema de navegación, abordamos el reto de planificar trayectorias de movimiento de forma suave. Desarrollamos un método para planificar la trayectoria como una secuencia de configuraciones sobre una spline con n-ésimas derivadas en todos los puntos, independientemente del grupo de Lie considerado. Al ser formulado como un problema de optimización no lineal con múltiples objetivos, es posible agregar funciones de coste al problema de optimización que permitan añadir límites de velocidad o aceleración, evasión de colisiones, etc. El método propuesto es evaluado en dos tareas de planificación de movimiento diferentes, la planificación de trayectorias para una base móvil que evoluciona en la variedad SE(2), y la planificación del movimiento de un brazo robótico cuyo efector final evoluciona en la variedad SE(3). Además, cada tarea se evalúa en escenarios con complejidad de forma incremental, y se muestra un rendimiento comparable o mejor que el estado del arte mientras produce resultados más consistentes. Desde nuestro estudio de la teoría de Lie, desarrollamos una nueva biblioteca de programación llamada “manif”. La biblioteca es de código abierto, está disponible públicamente y se desarrolla siguiendo las buenas prácticas de programación de software. Esta diseñado para que sea fácil de integrar y manipular, y permite flexibilidad de uso mientras se facilita la posibilidad de extenderla más allá de los grupos de Lie inicialmente implementados. Además, la biblioteca se muestra eficiente en comparación con otras soluciones existentes. Por fin, llegamos a la conclusión del estudio de doctorado. Examinamos el trabajo de investigación y trazamos líneas para futuras investigaciones. También echamos un vistazo en los últimos años y compartimos una visión personal y experiencia del desarrollo de un doctorado industrial.Postprint (published version

Automatic Reconstruction of Textured 3D Models

Three dimensional modeling and visualization of environments is an increasingly important problem. This work addresses the problem of automatic 3D reconstruction and we present a system for unsupervised reconstruction of textured 3D models in the context of modeling indoor environments. We present solutions to all aspects of the modeling process and an integrated system for the automatic creation of large scale 3D models

Automatic Reconstruction of Textured 3D Models

Three dimensional modeling and visualization of environments is an increasingly important problem. This work addresses the problem of automatic 3D reconstruction and we present a system for unsupervised reconstruction of textured 3D models in the context of modeling indoor environments. We present solutions to all aspects of the modeling process and an integrated system for the automatic creation of large scale 3D models

Mobile Robots Navigation

Mobile robots navigation includes different interrelated activities: (i) perception, as obtaining and interpreting sensory information; (ii) exploration, as the strategy that guides the robot to select the next direction to go; (iii) mapping, involving the construction of a spatial representation by using the sensory information perceived; (iv) localization, as the strategy to estimate the robot position within the spatial map; (v) path planning, as the strategy to find a path towards a goal location being optimal or not; and (vi) path execution, where motor actions are determined and adapted to environmental changes. The book addresses those activities by integrating results from the research work of several authors all over the world. Research cases are documented in 32 chapters organized within 7 categories next described

Fail-Safe Vehicle Pose Estimation in Lane-Level Maps Using Pose Graph Optimization

Die hochgenaue Posenschätzung autonomer Fahrzeuge sowohl in HD-Karten als auch spurrelativ ist unerlässlich um eine sichere Fahrzeugführung zu gewährleisten. Für die Serienfertigung wird aus Kosten- und Platzgründen bewusst auf hochgenaue, teure Einzelsensorik verzichtet und stattdessen auf eine Vielzahl von Sensoren, die neben der Posenschätzung auch von anderen Modulen verwendet werden können, zurückgegriffen. Im Fokus dieser Arbeit steht die Unsicherheitsschätzung, Bewertung und Fusion dieser Sensordaten. Die Optimierung von Posengraphen zur Fusion von Sensordaten zeichnet sich, im Gegensatz zu klassischen Filterverfahren, wie Kalman oder Partikelfilter, durch seine Robustheit gegenüber Fehlmessungen und der Flexibilität in der Modellierung aus. Die Optimierung eines Posengraphen wurde erstmalig auf mobilen Roboterplattformen zur Lösung sogenannter SLAM-Probleme angewendet. Diese Verfahren wurden immer weiter entwickelt und im speziellen auch zur rein kamerabasierten Lokalisierung autonomer Fahrzeuge in 3D-Punktwolken erfolgreich emonstriert. Für die Entwicklung und Freigabe sicherheitsrelevanter Systeme nach ISO 26262 wird neben der Genauigkeit jedoch auch eine Aussage über die Qualität und Ausfallsicherheit dieser Systeme gefordert. Diese Arbeit befasst sich, neben der Schätzung der karten- und spurrelativen Pose, auch mit der Schätzung der Posenunsicherheit und der Integrität der Sensordaten zueinander. Auf Grundlage dieser Arbeit wird eine Abschätzung der Ausfallsicherheit des Lokalisierungsmoduls ermöglicht. Motiviert durch das Projekt Ko-HAF werden zur Lokalisierung in HD-Karten lediglich Spurmarkierungen verwendet. Die speichereffiziente Darstellung dieser Karten ermöglicht eine hochfrequente Aktualisierung der Karteninhalte durch eine Fahrzeugflotte. Der vorgestellte Ansatz wurde prototypisch auf einem Opel Insignia umgesetzt. Der Testträger wurde um eine Front- und Heckkamera sowie einen GNSS-Empfänger erweitert. Zunächst werden die Schätzung der karten-und spurrelativen Fahrzeugpose, der GNSS-Signalauswertung sowie der Bewegungsschätzung des Fahrzeugs vorgestellt. Durch einen Vergleich der Schätzungen zueinander werden die Unsicherheiten der einzelnen Module berechnet. Das Lokalisierungsproblem wird dann durch einen Optimierer gelöst. Mithilfe der berechneten Unsicherheiten wird in einem nachgelagerten Schritt eine Bewertung der einzelnen Module durchgeführt. Zur Bewertung des Ansatzes wurden sowohl hochdynamische Manöver auf einer Teststrecke als auch Fahrten auf öffentlichen Autobahnen ausgewertet

Towards new sensing capabilities for legged locomotion using real-time state estimation with low-cost IMUs

L'estimation en robotique est un sujet important affecté par les compromis entre certains critères majeurs parmi lesquels nous pouvons citer le temps de calcul et la précision. L'importance de ces deux critères dépend de l'application. Si le temps de calcul n'est pas important pour les méthodes hors ligne, il devient critique lorsque l'application doit s'exécuter en temps réel. De même, les exigences de précision dépendent des applications. Les estimateurs EKF sont largement utilisés pour satisfaire les contraintes en temps réel tout en obtenant une estimation avec des précisions acceptables. Les centrales inertielles (Inertial Measurement Unit - IMU) demeurent des capteurs répandus dnas les problèmes d'estimation de trajectoire. Ces capteurs ont par ailleurs la particularité de fournir des données à une fréquence élevée. La principale contribution de cette thèses est une présentation claire de la méthode de préintégration donnant lieu à une meilleure utilisation des centrales inertielles. Nous appliquons cette méthode aux problèmes d'estimation dans les cas de la navigation piétonne et celle des robots humanoïdes. Nous souhaitons par ailleurs montrer que l'estimation en temps réel à l'aide d'une centrale inertielle à faible coût est possible avec des méthodes d'optimisation tout en formulant les problèmes à l'aide d'un modèle graphique bien que ces méthodes soient réputées pour leurs coûts élevés en terme de calculs. Nous étudions également la calibration des centrales inertielles, une étape qui demeure critique pour leurs utilisations. Les travaux réalisés au cours de cette thèse ont été pensés en gardant comme perspective à moyen terme le SLAM visuel-inertiel. De plus, ce travail aborde une autre question concernant les robots à jambes. Contrairement à leur architecture habituelle, pourrions-nous utiliser plusieurs centrales inertielles à faible coût sur le robot pour obtenir des informations précieuses sur le mouvement en cours d'exécution ?Estimation in robotics is an important subject affected by trade-offs between some major critera from which we can cite the computation time and the accuracy. The importance of these two criteria are application-dependent. If the computation time is not important for off-line methods, it becomes critical when the application has to run on real-time. Similarly, accuracy requirements are dependant on the applications. EKF estimators are widely used to satisfy real-time constraints while achieving acceptable accuracies. One sensor widely used in trajectory estimation problems remains the inertial measurement units (IMUs) providing data at a high rate. The main contribution of this thesis is a clear presentation of the preintegration theory yielding in a better use IMUs. We apply this method for estimation problems in both pedestrian and humanoid robots navigation to show that real-time estimation using a low- cost IMU is possible with smoothing methods while formulating the problems with a factor graph. We also investigate the calibration of the IMUs as it is a critical part of those sensors. All the development made during this thesis was thought with a visual-inertial SLAM background as a mid-term perspective. Firthermore, this work tries to rise another question when it comes to legged robots. In opposition to their usual architecture, could we use multiple low- cost IMUs on the robot to get valuable information about the motion being executed

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

Perception of Unstructured Environments for Autonomous Off-Road Vehicles

Autonome Fahrzeuge benötigen die Fähigkeit zur Perzeption als eine notwendige Voraussetzung für eine kontrollierbare und sichere Interaktion, um ihre Umgebung wahrzunehmen und zu verstehen. Perzeption für strukturierte Innen- und Außenumgebungen deckt wirtschaftlich lukrative Bereiche, wie den autonomen Personentransport oder die Industrierobotik ab, während die Perzeption unstrukturierter Umgebungen im Forschungsfeld der Umgebungswahrnehmung stark unterrepräsentiert ist. Die analysierten unstrukturierten Umgebungen stellen eine besondere Herausforderung dar, da die vorhandenen, natürlichen und gewachsenen Geometrien meist keine homogene Struktur aufweisen und ähnliche Texturen sowie schwer zu trennende Objekte dominieren. Dies erschwert die Erfassung dieser Umgebungen und deren Interpretation, sodass Perzeptionsmethoden speziell für diesen Anwendungsbereich konzipiert und optimiert werden müssen. In dieser Dissertation werden neuartige und optimierte Perzeptionsmethoden für unstrukturierte Umgebungen vorgeschlagen und in einer ganzheitlichen, dreistufigen Pipeline für autonome Geländefahrzeuge kombiniert: Low-Level-, Mid-Level- und High-Level-Perzeption. Die vorgeschlagenen klassischen Methoden und maschinellen Lernmethoden (ML) zur Perzeption bzw.~Wahrnehmung ergänzen sich gegenseitig. Darüber hinaus ermöglicht die Kombination von Perzeptions- und Validierungsmethoden für jede Ebene eine zuverlässige Wahrnehmung der möglicherweise unbekannten Umgebung, wobei lose und eng gekoppelte Validierungsmethoden kombiniert werden, um eine ausreichende, aber flexible Bewertung der vorgeschlagenen Perzeptionsmethoden zu gewährleisten. Alle Methoden wurden als einzelne Module innerhalb der in dieser Arbeit vorgeschlagenen Perzeptions- und Validierungspipeline entwickelt, und ihre flexible Kombination ermöglicht verschiedene Pipelinedesigns für eine Vielzahl von Geländefahrzeugen und Anwendungsfällen je nach Bedarf. Low-Level-Perzeption gewährleistet eine eng gekoppelte Konfidenzbewertung für rohe 2D- und 3D-Sensordaten, um Sensorausfälle zu erkennen und eine ausreichende Genauigkeit der Sensordaten zu gewährleisten. Darüber hinaus werden neuartige Kalibrierungs- und Registrierungsansätze für Multisensorsysteme in der Perzeption vorgestellt, welche lediglich die Struktur der Umgebung nutzen, um die erfassten Sensordaten zu registrieren: ein halbautomatischer Registrierungsansatz zur Registrierung mehrerer 3D~Light Detection and Ranging (LiDAR) Sensoren und ein vertrauensbasiertes Framework, welches verschiedene Registrierungsmethoden kombiniert und die Registrierung verschiedener Sensoren mit unterschiedlichen Messprinzipien ermöglicht. Dabei validiert die Kombination mehrerer Registrierungsmethoden die Registrierungsergebnisse in einer eng gekoppelten Weise. Mid-Level-Perzeption ermöglicht die 3D-Rekonstruktion unstrukturierter Umgebungen mit zwei Verfahren zur Schätzung der Disparität von Stereobildern: ein klassisches, korrelationsbasiertes Verfahren für Hyperspektralbilder, welches eine begrenzte Menge an Test- und Validierungsdaten erfordert, und ein zweites Verfahren, welches die Disparität aus Graustufenbildern mit neuronalen Faltungsnetzen (CNNs) schätzt. Neuartige Disparitätsfehlermetriken und eine Evaluierungs-Toolbox für die 3D-Rekonstruktion von Stereobildern ergänzen die vorgeschlagenen Methoden zur Disparitätsschätzung aus Stereobildern und ermöglichen deren lose gekoppelte Validierung. High-Level-Perzeption konzentriert sich auf die Interpretation von einzelnen 3D-Punktwolken zur Befahrbarkeitsanalyse, Objekterkennung und Hindernisvermeidung. Eine Domänentransferanalyse für State-of-the-art-Methoden zur semantischen 3D-Segmentierung liefert Empfehlungen für eine möglichst exakte Segmentierung in neuen Zieldomänen ohne eine Generierung neuer Trainingsdaten. Der vorgestellte Trainingsansatz für 3D-Segmentierungsverfahren mit CNNs kann die benötigte Menge an Trainingsdaten weiter reduzieren. Methoden zur Erklärbarkeit künstlicher Intelligenz vor und nach der Modellierung ermöglichen eine lose gekoppelte Validierung der vorgeschlagenen High-Level-Methoden mit Datensatzbewertung und modellunabhängigen Erklärungen für CNN-Vorhersagen. Altlastensanierung und Militärlogistik sind die beiden Hauptanwendungsfälle in unstrukturierten Umgebungen, welche in dieser Arbeit behandelt werden. Diese Anwendungsszenarien zeigen auch, wie die Lücke zwischen der Entwicklung einzelner Methoden und ihrer Integration in die Verarbeitungskette für autonome Geländefahrzeuge mit Lokalisierung, Kartierung, Planung und Steuerung geschlossen werden kann. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die vorgeschlagene Pipeline flexible Perzeptionslösungen für autonome Geländefahrzeuge bietet und die begleitende Validierung eine exakte und vertrauenswürdige Perzeption unstrukturierter Umgebungen gewährleistet