Sparse 3D Point-cloud Map Upsampling and Noise Removal as a vSLAM Post-processing Step: Experimental Evaluation

The monocular vision-based simultaneous localization and mapping (vSLAM) is one of the most challenging problem in mobile robotics and computer vision. In this work we study the post-processing techniques applied to sparse 3D point-cloud maps, obtained by feature-based vSLAM algorithms. Map post-processing is split into 2 major steps: 1) noise and outlier removal and 2) upsampling. We evaluate different combinations of known algorithms for outlier removing and upsampling on datasets of real indoor and outdoor environments and identify the most promising combination. We further use it to convert a point-cloud map, obtained by the real UAV performing indoor flight to 3D voxel grid (octo-map) potentially suitable for path planning.Comment: 10 pages, 4 figures, camera-ready version of paper for "The 3rd International Conference on Interactive Collaborative Robotics (ICR 2018)

Exploration autonome et efficiente de chantiers miniers souterrains inconnus avec un drone filaire

Abstract: Underground mining stopes are often mapped using a sensor located at the end of a pole that the operator introduces into the stope from a secure area. The sensor emits laser beams that provide the distance to a detected wall, thus creating a 3D map. This produces shadow zones and a low point density on the distant walls. To address these challenges, a research team from the Université de Sherbrooke is designing a tethered drone equipped with a rotating LiDAR for this mission, thus benefiting from several points of view. The wired transmission allows for unlimited flight time, shared computing, and real-time communication. For compatibility with the movement of the drone after tether entanglements, the excess length is integrated into an onboard spool, contributing to the drone payload. During manual piloting, the human factor causes problems in the perception and comprehension of a virtual 3D environment, as well as the execution of an optimal mission. This thesis focuses on autonomous navigation in two aspects: path planning and exploration. The system must compute a trajectory that maps the entire environment, minimizing the mission time and respecting the maximum onboard tether length. Path planning using a Rapidly-exploring Random Tree (RRT) quickly finds a feasible path, but the optimization is computationally expensive and the performance is variable and unpredictable. Exploration by the frontier method is representative of the space to be explored and the path can be optimized by solving a Traveling Salesman Problem (TSP) but existing techniques for a tethered drone only consider the 2D case and do not optimize the global path. To meet these challenges, this thesis presents two new algorithms. The first one, RRT-Rope, produces an equal or shorter path than existing algorithms in a significantly shorter computation time, up to 70% faster than the next best algorithm in a representative environment. A modified version of RRT-connect computes a feasible path, shortened with a deterministic technique that takes advantage of previously added intermediate nodes. The second algorithm, TAPE, is the first 3D cavity exploration method that focuses on minimizing mission time and unwound tether length. On average, the overall path is 4% longer than the method that solves the TSP, but the tether remains under the allowed length in 100% of the simulated cases, compared to 53% with the initial method. The approach uses a 2-level hierarchical architecture: global planning solves a TSP after frontier extraction, and local planning minimizes the path cost and tether length via a decision function. The integration of these two tools in the NetherDrone produces an intelligent system for autonomous exploration, with semi-autonomous features for operator interaction. This work opens the door to new navigation approaches in the field of inspection, mapping, and Search and Rescue missions.La cartographie des chantiers miniers souterrains est souvent réalisée à l’aide d’un capteur situé au bout d’une perche que l’opérateur introduit dans le chantier, depuis une zone sécurisée. Le capteur émet des faisceaux laser qui fournissent la distance à un mur détecté, créant ainsi une carte en 3D. Ceci produit des zones d’ombres et une faible densité de points sur les parois éloignées. Pour relever ces défis, une équipe de recherche de l’Université de Sherbrooke conçoit un drone filaire équipé d’un LiDAR rotatif pour cette mission, bénéficiant ainsi de plusieurs points de vue. La transmission filaire permet un temps de vol illimité, un partage de calcul et une communication en temps réel. Pour une compatibilité avec le mouvement du drone lors des coincements du fil, la longueur excédante est intégrée dans une bobine embarquée, qui contribue à la charge utile du drone. Lors d’un pilotage manuel, le facteur humain entraîne des problèmes de perception et compréhension d’un environnement 3D virtuel, et d’exécution d’une mission optimale. Cette thèse se concentre sur la navigation autonome sous deux aspects : la planification de trajectoire et l’exploration. Le système doit calculer une trajectoire qui cartographie l’environnement complet, en minimisant le temps de mission et en respectant la longueur maximale de fil embarquée. La planification de trajectoire à l’aide d’un Rapidly-exploring Random Tree (RRT) trouve rapidement un chemin réalisable, mais l’optimisation est coûteuse en calcul et la performance est variable et imprévisible. L’exploration par la méthode des frontières est représentative de l’espace à explorer et le chemin peut être optimisé en résolvant un Traveling Salesman Problem (TSP), mais les techniques existantes pour un drone filaire ne considèrent que le cas 2D et n’optimisent pas le chemin global. Pour relever ces défis, cette thèse présente deux nouveaux algorithmes. Le premier, RRT-Rope, produit un chemin égal ou plus court que les algorithmes existants en un temps de calcul jusqu’à 70% plus court que le deuxième meilleur algorithme dans un environnement représentatif. Une version modifiée de RRT-connect calcule un chemin réalisable, raccourci avec une technique déterministe qui tire profit des noeuds intermédiaires préalablement ajoutés. Le deuxième algorithme, TAPE, est la première méthode d’exploration de cavités en 3D qui minimise le temps de mission et la longueur du fil déroulé. En moyenne, le trajet global est 4% plus long que la méthode qui résout le TSP, mais le fil reste sous la longueur autorisée dans 100% des cas simulés, contre 53% avec la méthode initiale. L’approche utilise une architecture hiérarchique à 2 niveaux : la planification globale résout un TSP après extraction des frontières, et la planification locale minimise le coût du chemin et la longueur de fil via une fonction de décision. L’intégration de ces deux outils dans le NetherDrone produit un système intelligent pour l’exploration autonome, doté de fonctionnalités semi-autonomes pour une interaction avec l’opérateur. Les travaux réalisés ouvrent la porte à de nouvelles approches de navigation dans le domaine des missions d’inspection, de cartographie et de recherche et sauvetage

Tool for 3D Gazebo Map Construction from Arbitrary Images and Laser Scans

© 2017 IEEE. Algorithms for mobile robots, such as navigation, mapping, and SLAM, require proper modelling of environment. Our paper presents an automatic tool that allows creating a realistic 3D-landscape in Gazebo simulation, which is based on the real sensor-based experimental results. The tool provides an occupancy grid map automatic filtering and import to Gazebo framework as a heightmap and enables to configure the settings for created simulation environment. In addition, the tool is capable to create a 3D Gazebo map from any arbitrary image

Towards DJI Phantom 4 Realistic Simulation with Gimbal and RC Controller in ROS/Gazebo Environment

© 2017 IEEE. Quadrotor UAVs like DJI Phantom 4 have been successfully used in research and commercial applications in recent years. Although there has been significant progress in the design of control algorithms, testing of UAVs involve risk of damage to the expensive aircraft. To manage this issues systems for the simulation of quadrotor UAVs are available in Gazebo simulator. However existing simulations are simplified and doesn't represent commercially available UAVs completely. As a main option to achieve stability of video feed is the use of a gimbal we improve existing simulation package with DJI Phantom specific gimbal. We also added RC transmitter to provide realistic control to simulated UAV

Modified spline-based path planning for autonomous ground vehicle

© 2017 by SCITEPRESS - Science and Technology Publications, Lda. All Rights Reserved. Potential function based methods play significant role in global and local path planning. While these methods are characterized with good reactive behavior and implementation simplicity, they suffer from a well-known problem of getting stuck in local minima of a navigation function. In this article we propose a modification of our original spline-based path planning algorithm for a mobile robot navigation, which succeeds to solve local minima problem and adds additional criteria of start and target points visibility to help optimizing the path selection. We apply a Voronoi graph based path as an input for iterative multi criteria optimization algorithm. The algorithm was implemented in Matlab environment and simulation results demonstrate that we succeeded to overcome our original algorithm pitfalls

The multi-agent flood algorithm as an autonomous system for search and rescue applications

[no abstract

The memristive artificial neuron high level architecture for biologically inspired robotic systems

© 2017 IEEE. In this paper we propose a new hardware architecture for the implementation of an artificial neuron based on organic memristive elements and operational amplifiers. This architecture is proposed as a possible solution for the integration and deployment of the cluster based bio- realistic simulation of a mammalian brain into a robotic system. Originally, this simulation has been developed through a neuro-biologically inspired cognitive architecture (NeuCogAr) re-implementing basic emotional states or affects in a computational system. This way, the dopamine, serotonin and noradrenaline pathways developed in NeuCogAr are synthesized through hardware memristors suitable for the implementation of basic emotional states or affects on a biologically inspired robotic system

Spiking Reasoning System

© 2017 IEEE. In this position paper the newel approach for the spiking reasoning system for the real-time processing of a robotic system represented. This is the development of the 'Robot dream' architecture presented earlier, specifically the real-time robotic management system. The main idea of the architecture is inherited from our previous works on machine cognition that have their roots in works of Marvin Minsky, specifically 'model of six' as six levels of the mental activity. The principal approach for the high-level architecture and provide examples of the data structures of the spiking reasoning system and robotic system management architecture was demonstrated

Planning and Navigation in Dynamic Environments for Mobile Robots and Micro Aerial Vehicles

Reliable and robust navigation planning and obstacle avoidance is key for the autonomous operation of mobile robots. In contrast to stationary industrial robots that often operate in controlled spaces, planning for mobile robots has to take changing environments and uncertainties into account during plan execution. In this thesis, planning and obstacle avoidance techniques are proposed for a variety of ground and aerial robots. Common to most of the presented approaches is the exploitation of the nature of the underlying problem to achieve short planning times by using multiresolution or hierarchical approaches. Short planning times allow for continuous and fast replanning to take the uncertainty in the environment and robot motion execution into account. The proposed approaches are evaluated in simulation and real-world experiments. The first part of this thesis addresses planning for mobile ground robots. One contribution is an approach to grasp and object removal planning to pick objects from a transport box with a mobile manipulation robot. In a multistage process, infeasible grasps are pruned in offline and online processing steps. Collision-free endeffector trajectories are planned to the remaining grasps until a valid removal trajectory can be found. An object-centric local multiresolution representation accelerates trajectory planning. The mobile manipulation components are evaluated in an integrated mobile bin-picking system. Local multiresolution planning is employed for path planning for humanoid soccer robots as well. The used Nao robot is equipped with only relatively low computing power. A resource-efficient path planner including the anticipated movements of opponents on the field is developed as part of this thesis. In soccer games an important subproblem is to reach a position behind the ball to dribble or kick it towards the goal. By the assumption that the opponents have the same intention, an explicit representation of their movements is possible. This leads to paths that facilitate the robot to reach its target position with a higher probability without being disturbed by the other robot. The evaluation for the planner is performed in a physics-based soccer simulation. The second part of this thesis covers planning and obstacle avoidance for micro aerial vehicles (MAVs), in particular multirotors. To reduce the planning complexity, the planning problem is split into a hierarchy of planners running on different levels of abstraction, i.e., from abstract to detailed environment descriptions and from coarse to fine plans. A complete planning hierarchy for MAVs is presented, from mission planners for multiple application domains to low-level obstacle avoidance. Missions planned on the top layer are executed by means of coupled allocentric and egocentric path planning. Planning is accelerated by global and local multiresolution representations. The planners can take multiple objectives into account in addition to obstacle costs and path length, e.g., sensor constraints. The path planners are supplemented by trajectory optimization to achieve dynamically feasible trajectories that can be executed by the underlying controller at higher velocities. With the initialization techniques presented in this thesis, the convergence of the optimization problem is expedited. Furthermore, frequent reoptimization of the initial trajectory allows for the reaction to changes in the environment without planning and optimizing a complete new trajectory. Fast, reactive obstacle avoidance based on artificial potential fields acts as a safety layer in the presented hierarchy. The obstacle avoidance layer employs egocentric sensor data and can operate at the data acquisition frequency of up to 40 Hz. It can slow-down and stop the MAVs in front of obstacles as well as avoid approaching dynamic obstacles. We evaluate our planning and navigation hierarchy in simulation and with a variety of MAVs in real-world applications, especially outdoor mapping missions, chimney and building inspection, and automated stocktaking.Planung und Navigation in dynamischen Umgebungen für mobile Roboter und Multikopter Zuverlässige und sichere Navigationsplanung und Hindernisvermeidung ist ein wichtiger Baustein für den autonomen Einsatz mobiler Roboter. Im Gegensatz zu klassischen Industrierobotern, die in der Regel in abgetrennten, kontrollierten Bereichen betrieben werden, ist es in der mobilen Robotik unerlässlich, Änderungen in der Umgebung und die Unsicherheit bei der Aktionsausführung zu berücksichtigen. Im Rahmen dieser Dissertation werden Verfahren zur Planung und Hindernisvermeidung für eine Reihe unterschiedlicher Boden- und Flugroboter entwickelt und vorgestellt. Den meisten beschriebenen Ansätzen ist gemein, dass die Struktur der zu lösenden Probleme ausgenutzt wird, um Planungsprozesse zu beschleunigen. Häufig ist es möglich, mit abnehmender Genauigkeit zu planen desto weiter eine Aktion in der Zeit oder im Ort entfernt ist. Dieser Ansatz wird lokale Multiresolution genannt. In anderen Fällen ist eine Zerlegung des Problems in Schichten unterschiedlicher Genauigkeit möglich. Die damit zu erreichende Beschleunigung der Planung ermöglicht ein häufiges Neuplanen und somit die Reaktion auf Änderungen in der Umgebung und Abweichungen bei den ausgeführten Aktionen. Zur Evaluation der vorgestellten Ansätze werden Experimente sowohl in der Simulation als auch mit Robotern durchgeführt. Der erste Teil dieser Dissertation behandelt Planungsmethoden für mobile Bodenroboter. Um Objekte mit einem mobilen Roboter aus einer Transportkiste zu greifen und zur Weiterverarbeitung zu einem Arbeitsplatz zu liefern, wurde ein System zur Planung möglicher Greifposen und hindernisfreier Endeffektorbahnen entwickelt. In einem mehrstufigen Prozess werden mögliche Griffe an bekannten Objekten erst in mehreren Vorverarbeitungsschritten (offline) und anschließend, passend zu den erfassten Objekten, online identifiziert. Zu den verbleibenden möglichen Griffen werden Endeffektorbahnen geplant und, bei Erfolg, ausgeführt. Die Greif- und Bahnplanung wird durch eine objektzentrische lokale Multiresolutionskarte beschleunigt. Die Einzelkomponenten werden in einem prototypischen Gesamtsystem evaluiert. Eine weitere Anwendung für die lokale Multiresolutionsplanung ist die Pfadplanung für humanoide Fußballroboter. Zum Einsatz kommen Nao-Roboter, die nur über eine sehr eingeschränkte Rechenleistung verfügen. Durch die Reduktion der Planungskomplexität mit Hilfe der lokalen Multiresolution, wurde die Entwicklung eines Planers ermöglicht, der zusätzlich zur aktuellen Hindernisfreiheit die Bewegung der Gegenspieler auf dem Feld berücksichtigt. Hierbei liegt der Fokus auf einem wichtigen Teilproblem, dem Erreichen einer guten Schussposition hinter dem Ball. Die Tatsache, dass die Gegenspieler vergleichbare Ziele verfolgen, ermöglicht es, Annahmen über mögliche Laufwege zu treffen. Dadurch ist die Planung von Pfaden möglich, die das Risiko, durch einen Gegenspieler passiv geblockt zu werden, reduzieren, so dass die Schussposition schneller erreicht wird. Dieser Teil der Arbeit wird in einer physikalischen Fußballsimulation evaluiert. Im zweiten Teil dieser Dissertation werden Methoden zur Planung und Hindernisvermeidung von Multikoptern behandelt. Um die Planungskomplexität zu reduzieren, wird das zu lösenden Planungsproblem hierarchisch zerlegt und durch verschiedene Planungsebenen verarbeitet. Dabei haben höhere Planungsebenen eine abstraktere Weltsicht und werden mit niedriger Frequenz ausgeführt, zum Beispiel die Missionsplanung. Niedrigere Ebenen haben eine Weltsicht, die mehr den Sensordaten entspricht und werden mit höherer Frequenz ausgeführt. Die Granularität der resultierenden Pläne verfeinert sich hierbei auf niedrigeren Ebenen. Im Rahmen dieser Dissertation wurde eine komplette Planungshierarchie für Multikopter entwickelt, von Missionsplanern für verschiedene Anwendungsgebiete bis zu schneller Hindernisvermeidung. Pfade zur Ausführung geplanter Missionen werden durch zwei gekoppelte Planungsebenen erstellt, erst allozentrisch, und dann egozentrisch verfeinert. Hierbei werden ebenfalls globale und lokale Multiresolutionsrepräsentationen zur Beschleunigung der Planung eingesetzt. Zusätzlich zur Hindernisfreiheit und Länge der Pfade können auf diesen Planungsebenen weitere Zielfunktionen berücksichtigt werden, wie zum Beispiel die Berücksichtigung von Sensorcharakteristika. Ergänzt werden die Planungsebenen durch die Optimierung von Flugbahnen. Diese Flugbahnen berücksichtigen eine angenäherte Flugdynamik und erlauben damit ein schnelleres Verfolgen der optimierten Pfade. Um eine schnelle Konvergenz des Optimierungsproblems zu erreichen, wurde in dieser Arbeit ein Verfahren zur Initialisierung entwickelt. Des Weiteren kommen Methoden zur schnellen Verfeinerung des Optimierungsergebnisses bei Änderungen im Weltzustand zum Einsatz, diese ermöglichen die Reaktion auf neue Hindernisse oder Abweichungen von der Flugbahn, ohne eine komplette Flugbahn neu zu planen und zu optimieren. Die Sicherheit des durch die Planungs- und Optimierungsebenen erstellten Pfades wird durch eine schnelle, reaktive Hindernisvermeidung gewährleistet. Das Hindernisvermeidungsmodul basiert auf der Methode der künstlichen Potentialfelder. Durch die Verwendung dieser schnellen Methode kombiniert mit der Verwendung von nicht oder nur über kurze Zeiträume aggregierte Sensordaten, ermöglicht die Reaktion auf unbekannte Hindernisse, kurz nachdem diese von den Sensoren wahrgenommen wurden. Dabei kann der Multikopter abgebremst oder gestoppt werden, und sich von nähernden Hindernissen entfernen. Die Komponenten der Planungs- und Hindernisvermeidungshierarchie werden sowohl in der Simulation evaluiert, als auch in integrierten Gesamtsystemen mit verschiedenen Multikoptern in realen Anwendungen. Dies sind insbesondere die Kartierung von Innen- und Außenbereichen, die Inspektion von Gebäuden und Schornsteinen sowie die automatisierte Inventur von Lägern