Building Fuzzy Elevation Maps from a Ground-based 3D Laser Scan for Outdoor Mobile Robots

Mandow, A; Cantador, T.J.; Reina, A.J.; Martínez, J.L.; Morales, J.; García-Cerezo, A. "Building Fuzzy Elevation Maps from a Ground-based 3D Laser Scan for Outdoor Mobile Robots," Robot2015: Second Iberian Robotics Conference, Advances in Robotics, (2016) Advances in Intelligent Systems and Computing, vol. 418. This is a self-archiving copy of the author’s accepted manuscript. The final publication is available at Springer via http://link.springer.com/book/10.1007/978-3-319-27149-1.The paper addresses terrain modeling for mobile robots with fuzzy elevation maps by improving computational speed and performance over previous work on fuzzy terrain identification from a three-dimensional (3D) scan. To this end, spherical sub-sampling of the raw scan is proposed to select training data that does not filter out salient obstacles. Besides, rule structure is systematically defined by considering triangular sets with an unevenly distributed standard fuzzy partition and zero order Sugeno-type consequents. This structure, which favors a faster training time and reduces the number of rule parameters, also serves to compute a fuzzy reliability mask for the continuous fuzzy surface. The paper offers a case study using a Hokuyo-based 3D rangefinder to model terrain with and without outstanding obstacles. Performance regarding error and model size is compared favorably with respect to a solution that uses quadric-based surface simplification (QSlim).This work was partially supported by the Spanish CICYT project DPI 2011-22443, the Andalusian project PE-2010 TEP-6101, and Universidad de Málaga-Andalucía Tech

Range Information Characterization of the Hokuyo UST-20LX LIDAR Sensor

This paper presents a study on the data measurements that the Hokuyo UST-20LX Laser Rangefinder produces, which compiles into an overall characterization of the LiDAR sensor relative to indoor environments. The range measurements, beam divergence, angular resolution, error effect due to some common painted and wooden surfaces, and the error due to target surface orientation are analyzed. It was shown that using a statistical average of sensor measurements provides a more accurate range measurement. It was also shown that the major source of errors for the Hokuyo UST-20LX sensor was caused by something that will be referred to as “mixed pixels”. Additional error sources are target surface material, and the range relative to the sensor. The purpose of this paper was twofold: (1) to describe a series of tests that can be performed to characterize various aspects of a LIDAR system from a user perspective, and (2) present a detailed characterization of the commonly-used Hokuyo UST-20LX LIDAR sensor

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

Development of a novel data acquisition and processing methodology applied to the boresight alignment of marine mobile LiDAR systems

Le système LiDAR mobile (SLM) est une technologie d'acquisition de données de pointe qui permet de cartographier les scènes du monde réel en nuages de points 3D. Les applications du SLM sont très vastes, de la foresterie à la modélisation 3D des villes, en passant par l'évaluation de l'inventaire routier et la cartographie des infrastructures portuaires. Le SLM peut également être monté sur diverses plateformes, telles que des plateformes aériennes, terrestres, marines, etc. Indépendamment de l'application et de la plateforme, pour s'assurer que le SLM atteigne sa performance optimale et sa meilleure précision, il est essentiel de traiter correctement les erreurs systématiques du système, spécialement l'erreur des angles de visée à laquelle on s'intéresse particulièrement dans cette thèse. L'erreur des angles de visée est définie comme le désalignement rotationnel des deux parties principales du SLM, le système de positionnement et d'orientation et le scanneur LiDAR, introduit par trois angles de visée. En fait, de petites variations angulaires dans ces paramètres peuvent causer des problèmes importants d'incertitude géométrique dans le nuage de points final et il est vital d'employer une méthode d'alignement pour faire face à la problématique de l'erreur des angles de visée de ces systèmes. La plupart des méthodes existantes d'alignement des angles de visée qui ont été principalement développées pour les SLM aériens et terrestres, tirent profit d'éléments in-situ spécifiques et présents sur les sites de levés et adéquats pour ces méthodes. Par exemple, les éléments linéaires et planaires extraits des toits et des façades des maisons. Cependant, dans les environnements sans présence de ces éléments saillants comme la forêt, les zones rurales, les ports, où l'accès aux éléments appropriées pour l'alignement des angles de visée est presque impossible, les méthodes existantes fonctionnent mal, voire même pas du tout. Par conséquent, cette recherche porte sur l'alignement des angles de visée d'un SLM dans un environnement complexe. Nous souhaitons donc introduire une procédure d'acquisition et traitement pour une préparation adéquate des données, qui servira à la méthode d'alignement des angles de visée du SLM. Tout d'abord, nous explorons les différentes possibilités des éléments utilisés dans les méthodes existantes qui peuvent aider à l'identification de l'élément offrant le meilleur potentiel pour l'estimation des angles de visée d'un SLM. Ensuite, nous analysons, parmi un grand nombre de possibles configurations d'éléments (cibles) et patrons de lignes de balayage, celle qui nous apparaît la meilleure. Cette analyse est réalisée dans un environnement de simulation dans le but de générer différentes configurations de cibles et de lignes de balayage pour l'estimation des erreurs des angles de visée afin d'isoler la meilleure configuration possible. Enfin, nous validons la configuration proposée dans un scénario réel, soit l'étude de cas du port de Montréal. Le résultat de la validation révèle que la configuration proposée pour l'acquisition et le traitement des données mène à une méthode rigoureuse d'alignement des angles de visée qui est en même temps précise, robuste et répétable. Pour évaluer les résultats obtenus, nous avons également mis en œuvre une méthode d'évaluation de la précision relative, qui démontre l'amélioration de la précision du nuage de points après l'application de la procédure d'alignement des angles de visée.A Mobile LiDAR system (MLS) is a state-of-the-art data acquisition technology that maps real-world scenes in the form of 3D point clouds. The MLS's list of applications is vast, from forestry to 3D city modeling and road inventory assessment to port infrastructure mapping. The MLS can also be mounted on various platforms, such as aerial, terrestrial, marine, and so on. Regardless of the application and the platform, to ensure that the MLS achieves its optimal performance and best accuracy, it is essential to adequately address the systematic errors of the system, especially the boresight error. The boresight error is the rotational misalignment offset of the two main parts of the MLS, the positioning and orientation system (POS) and the LiDAR scanner. Minor angular parameter variations can cause important geometric accuracy issues in the final point cloud. Therefore, it is vital to employ an alignment method to cope with the boresight error problem of such systems. Most of the existing boresight alignment methods, which have been mainly developed for aerial and terrestrial MLS, take advantage of the in-situ tie-features in the environment that are adequate for these methods. For example, tie-line and tie-plane are extracted from building roofs and facades. However, in low-feature environments like forests, rural areas, ports, and harbors, where access to suitable tie-features for boresight alignment is nearly impossible, the existing methods malfunction or do not function. Therefore, this research addresses the boresight alignment of a marine MLS in a low-feature maritime environment. Thus, we aim to introduce an acquisition procedure for suitable data preparation, which will serve as input for the boresight alignment method of a marine MLS. First, we explore various tie-features introduced in the existing ways that eventually assist in the identification of the suitable tie-feature for the boresight alignment of a marine MLS. Second, we study the best configuration for the data acquisition procedure, i.e., tie-feature(s) characteristics and the necessary scanning line pattern. This study is done in a simulation environment to achieve the best visibility of the boresight errors on the selected suitable tie-feature. Finally, we validate the proposed configuration in a real-world scenario, which is the port of Montreal case study. The validation result reveals that the proposed data acquisition and processing configuration results in an accurate, robust, and repeatable rigorous boresight alignment method. We have also implemented a relative accuracy assessment to evaluate the obtained results, demonstrating an accuracy improvement of the point cloud after the boresight alignment procedure

NASA Tech Briefs, May 1990

Topics: New Product Ideas; NASA TU Services; Electronic Components and Circuits; Electronic Systems; Physical Sciences; Materials; Computer Programs; Mechanics; Machinery; Fabrication Technology; Mathematics and Information Sciences; Life Sciences

Boresight Calibration of Construction Misalignments for 3D Scanners Built with a 2D Laser Rangefinder Rotating on Its Optical Center

Many applications, like mobile robotics, can profit from acquiring dense, wide-ranging and accurate 3D laser data. Off-the-shelf 2D scanners are commonly customized with an extra rotation as a low-cost, lightweight and low-power-demanding solution. Moreover, aligning the extra rotation axis with the optical center allows the 3D device to maintain the same minimum range as the 2D scanner and avoids offsets in computing Cartesian coordinates. The paper proposes a practical procedure to estimate construction misalignments based on a single scan taken from an arbitrary position in an unprepared environment that contains planar surfaces of unknown dimensions. Inherited measurement limitations from low-cost 2D devices prevent the estimation of very small translation misalignments, so the calibration problem reduces to obtaining boresight parameters. The distinctive approach with respect to previous plane-based intrinsic calibration techniques is the iterative maximization of both the flatness and the area of visible planes. Calibration results are presented for a case study. The method is currently being applied as the final stage in the production of a commercial 3D rangefinder