PROBABILISTIC MODEL OF LASER RANGE FINDER FOR THREE DIMENSIONAL GRID CELL IN CLOSE RANGE ENVIRONMENT

The probabilistic model of a laser scanner presents an important aspect for simultaneous localization and map-building (SLAM). However, the characteristic of the beam of the laser range finder under extreme incident angles approaching 900 has not been thoroughly investigated. This research paper reports the characteristic of the density of the range value coming from a laser range finder under close range circumstances where the laser is imposed with a high incident angle. The laser was placed in a controlled environment consisting of walls at a close range and 1000 iteration of scans was collected. The assumption of normal density of the metrical data collapses when the beam traverses across sharp edges in this environment. The data collected also shows multimodal density at instances where the range has discontinuity. The standard deviation of the laser range finder is reported to average at 10.54 mm, with 0.96 of accuracy. This significance suggests that under extreme incident angles, a laser range finder reading behaves differently compared to normal distribution. The use of this information is crucial for SLAM activity in enclosed environments such as inside piping grid or other cluttered environments. KEYWORDS:   Hokuyo UTM-30LX; kernel density estimation; probabilistic model

Characterization and calibration of multiple 2D laser scanners

This paper presents the comparative evaluation of multiple compact and lightweight 2D laser scanners for their possible backpack based scanning and mapping applications. These scanners include Hokuyo URG-04LX, Slamtec RPLidar A1-M8 and Hokuyo UTM- 30LX-EW scanners. Since the technical datasheets provide general information and limited working details, this research presents a thorough study on the performance of each scanner related explicitly to indoor mapping operations. A series of scanning experiments have been performed for the characterization of each scanner using statistical analysis. During the testing, all the scanning data has been recorded using Robot Operating System (ROS) and then computed in offline processing. In initial tests, each scanner's drift effect on range measurements has been tested and presented in the relevant section of the paper. In continuation, the effect of various scanning distances on measurement accuracy has been evaluated and discussed. Later the impact of various materials typically found in indoor vicinities and their respective properties of color and smoothness have been tested and provided in the paper. Finally, a Kalman Filtering based mathematical formulation has been utilized to calibrate each scanner and to reduce the measuring uncertainties as observed in various tests for each scanner

Bayesian Controller for a Novel Semi-Autonomous Navigation Concept

This paper presents a novel concept of semi-autonomous navigation where a mobile robot evolves autonomously under the monitoring of a human user. The user provides corrective commands to the robot whenever he disagrees with the robot's navigational choices. These commands are not related to navigational values like directions or goals, but to the relevance of the robot's actions to the overall task. A binary error signal is used to correct the robot's decisions and to bring it to the desired goal location. This simple interface could easily be adapted to input systems designed for disabled people, offering them a convenient alternative to existing assistive systems. After a description of the whole concept, a special focus is given to the decisional process, which takes into account in a Bayesian way the environment perceived by the robot and the user generated signals in order to propose a navigational strategy to the human user. The strength and advantages of the proposed semi-autonomous concept are illustrated with two experiments

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

Conception et intégration d'un capteur LIDAR 3D pour la navigation autonome des robots mobiles en terrain inconnu

Résumé L’étude de la planète Mars suscite un intérêt grandissant au sein de la communauté scientifique. Étant donné la distance séparant la Terre de cet astre, ainsi que l’environnement particulièrement hostile y régnant, son exploration tire avantage de l’utilisation de robots mobiles (rovers). Les fenêtres de communication peu nombreuses de même que les délais importants justifient le déploiement d’intelligence artificielle sur ces plates-formes mobiles afin de maximiser leur autonomie. L’un des enjeux primordiaux est alors la capacité que possèdent de tels robots de naviguer de façon autonome et donc de percevoir l’environnement au moyen de systèmes de vision avancés.Le projet de recherche dont il est question dans ce mémoire s’articule autour de ce thème et est réalisé en collaboration avec l’Agence spatiale canadienne (ASC). L’objectif principal vise la conception d’un système de vision tridimensionnelle permettant à un robot mobile de naviguer de façon autonome. Il concerne plus particulièrement la conception, l’intégration et l’étude de CORIAS (COntinuous Range and Intensity Acquisition System), un système de vision utilisant la technologie lidar (LIght Detection And Ranging). Le système en question utilise comme capteur principal un lidar LMS111 de la compagnie SICK. L’appareil développé au cours de cette recherche répond non seulement à l’objectif principal, mais il est également doté des caractéristiques suivantes : • La reproduction tridimensionnelle de l’environnement s’effectue dans un rayon maximum de 20 mètres. • L’acquisition des données se fait à raison d’un débit maximal de 27 050 points par seconde. • Le temps requis pour balayer complètement l’environnement avec des paramètres d’opération typiques (une résolution de 0,25° en élévation et de 0,50° en azimut) est d’environ 29 secondes. • Le système peut transmettre les mesures d’intensité associées aux points acquis.• Les résolutions verticale (élévation) et horizontale (azimut) sont configurables et assez fines pour détecter des obstacles.• Le système présente un niveau raisonnable de protection face aux conditions environnementales hostiles (poussière, pluie, neige, etc).----------Abstract The study of Mars is of growing interest among the scientific community. Given the large distance between this planet and the Earth, as well as the hostile environment prevailing there, its exploration takes advantage of using rovers. The rare communication windows, along with the important delays occuring during communications, justify artificial intelligence deployment on these mobile platforms in order to maximize their autonomy. Hence, one of the crucial issues is the ability the rover has to autonomously navigate and thus, to properly detect its environment with the help of advanced vision systems. The research project discussed in this thesis focuses on this theme and is done in collaboration with the Canadian Space Agency (CSA). The main objective is to design a three-dimensional vision system enabling a mobile robot to navigate autonomously. It relates more particularly to the design, integration and study of CORIAS (COntinuous Range and Intensity Acquisition System), a vision system using lidar (LIght Detection And Ranging). The system uses a LMS111, manufactured by SICK, as its main sensor. The device developed in this research project not only meets the main objective, but it also has the following characteristics:• The three-dimensional reproduction of the environment is performed within a 20 meter radius.• The maximum data acquisition rate is 27 050 points per second.• The time required to complete a full-coverage scan performed with typical operation parameters (0,25° elevation and 0,50° azimuth resolutions) is around 29 seconds.• The system is able to transmit the intensity measurements associated with the acquired points.• Vertical (elevation) and horizontal (azimuth) resolutions are configurable and fine enough to detect obstacles.• The system has a reasonable level of protection against bad weather conditions (dust, rain, snow, etc.).CORIAS only requires a 24 volts DC power supply and an Ethernet link to be operated. It can be installed easily on a large variety of platforms. The rover’s on-board computer is responsible for communicating with the vision system and provides the commands it needs to accomplish. The microcontroller, which is the central part of the system, operates on Linux and acts as a TCP-IP server

Active Training and Assistance Device for an Individually Adaptable Strength and Coordination Training

Das Altern der Weltbevölkerung, insbesondere in der westlichen Welt, stellt die Menschheit vor eine große Herausforderung. Zu erwarten sind erhebliche Auswirkungen auf den Gesundheitssektor, der im Hinblick auf eine steigende Anzahl von Menschen mit altersbedingtem körperlichem und kognitivem Abbau und dem damit erhöhten Bedürfnis einer individuellen Versorgung vor einer großen Aufgabe steht. Insbesondere im letzten Jahrhundert wurden viele wissenschaftliche Anstrengungen unternommen, um Ursache und Entwicklung altersbedingter Erkrankungen, ihr Voranschreiten und mögliche Behandlungen, zu verstehen. Die derzeitigen Modelle zeigen, dass der entscheidende Faktor für die Entwicklung solcher Krankheiten der Mangel an sensorischen und motorischen Einflüssen ist, diese wiederum sind das Ergebnis verringerter Mobilität und immer weniger neuer Erfahrungen. Eine Vielzahl von Studien zeigt, dass erhöhte körperliche Aktivität einen positiven Effekt auf den Allgemeinzustand von älteren Erwachsenen mit leichten kognitiven Beeinträchtigungen und den Menschen in deren unmittelbarer Umgebung hat. Diese Arbeit zielt darauf ab, älteren Menschen die Möglichkeit zu bieten, eigenständig und sicher ein individuelles körperliches Training zu absolvieren. In den letzten zwei Jahrzehnten hat die Forschung im Bereich der robotischen Bewegungsassistenten, auch Smarte Rollatoren genannt, den Fokus auf die sensorische und kognitive Unterstützung für ältere und eingeschränkte Personen gesetzt. Durch zahlreiche Bemühungen entstand eine Vielzahl von Ansätzen zur Mensch-Rollator-Interaktion, alle mit dem Ziel, Bewegung und Navigation innerhalb der Umgebung zu unterstützen. Aber trotz allem sind Trainingsmöglichkeiten zur motorischen Aktivierung mittels Smarter Rollatoren noch nicht erforscht. Im Gegensatz zu manchen Smarten Rollatoren, die den Fokus auf Rehabilitationsmöglichkeiten für eine bereits fortgeschrittene Krankheit setzen, zielt diese Arbeit darauf ab, kognitive Beeinträchtigungen in einem frühen Stadium soweit wie möglich zu verlangsamen, damit die körperliche und mentale Fitness des Nutzers so lang wie möglich aufrechterhalten bleibt. Um die Idee eines solchen Trainings zu überprüfen, wurde ein Prototyp-Gerät namens RoboTrainer-Prototyp entworfen, eine mobile Roboter-Plattform, die mit einem zusätzlichen Kraft-Momente-Sensor und einem Fahrradlenker als Eingabe-Schnittstelle ausgestattet wurde. Das Training beinhaltet vordefinierte Trainingspfade mit Markierungen am Boden, entlang derer der Nutzer das Gerät navigieren soll. Der Prototyp benutzt eine Admittanzgleichung, um seine Geschwindigkeit anhand der Eingabe des Nutzers zu berechnen. Desweiteren leitet das Gerät gezielte Regelungsaktionen bzw. Verhaltensänderungen des Roboters ein, um das Training herausfordernd zu gestalten. Die Pilotstudie, die mit zehn älteren Erwachsenen mit beginnender Demenz durchgeführt wurde, zeigte eine signifikante Steigerung ihrer Interaktionsfähigkeit mit diesem Gerät. Sie bewies ebenfalls den Nutzen von Regelungsaktionen, um die Komplexität des Trainings ständig neu anzupassen. Obwohl diese Studie die Durchführbarkeit des Trainings zeigte, waren Grundfläche und mechanische Stabilität des RoboTrainer-Prototyps suboptimal. Deswegen fokussiert sich der zweite Teil dieser Arbeit darauf, ein neues Gerät zu entwerfen, um die Nachteile des Prototyps zu beheben. Neben einer erhöhten mechanischen Stabilität, ermöglicht der RoboTrainer v2 eine Anpassung seiner Grundfläche. Dieses spezifische Merkmal der Smarten Rollatoren dient vor allem dazu, die Unterstützungsfläche für den Benutzer anzupassen. Das ermöglicht einerseits ein agiles Training mit gesunden Personen und andererseits Rehabilitations-Szenarien bei Menschen, die körperliche Unterstützung benötigen. Der Regelungsansatz für den RoboTrainer v2 erweitert den Admittanzregler des Prototypen durch drei adaptive Strategien. Die erste ist die Anpassung der Sensitivität an die Eingabe des Nutzers, abhängig von der Stabilität des Nutzer-Rollater-Systems, welche Schwankungen verhindert, die dann passieren können, wenn die Hände des Nutzers versteifen. Die zweite Anpassung beinhaltet eine neuartige nicht-lineare, geschwindigkeits-basierende Änderung der Admittanz-Parameter, um die Wendigkeit des Rollators zu erhöhen. Die dritte Anpassung erfolgt vor dem eigentlichen Training in einem Parametrierungsprozess, wo nutzereigene Interaktionskräfte gemessen werden, um individuelle Reglerkonstanten fein abzustimmen und zu berechnen. Die Regelungsaktionen sind Verhaltensänderungen des Gerätes, die als Bausteine für unterstützende und herausfordernde Trainingseinheiten mit dem RoboTrainer dienen. Sie nutzen das virtuelle Kraft-Feld-Konzept, um die Bewegung des Gerätes in der Trainingsumgebung zu beeinflussen. Die Bewegung des RoboTrainers wird in der Gesamtumgebung durch globale oder, in bestimmten Teilbereichen, durch räumliche Aktionen beeinflusst. Die Regelungsaktionen erhalten die Absicht des Nutzers aufrecht, in dem sie eine unabhängige Admittanzdynamik implementieren, um deren Einfluss auf die Geschwindigkeit des RoboTrainers zu berechnen. Dies ermöglicht die entscheidende Trennung von Reglerzuständen, um während des Trainings passive und sichere Interaktionen mit dem Gerät zu erreichen. Die oben genannten Beiträge wurden getrennt ausgewertet und in zwei Studien mit jeweils 22 bzw. 13 jungen, gesunden Erwachsenen untersucht. Diese Studien ermöglichen einen umfassenden Einblick in die Zusammenhänge zwischen unterschiedlichen Funktionalitäten und deren Einfluss auf die Nutzer. Sie bestätigen den gesamten Ansatz, sowie die gemachten Vermutungen im Hinblick auf die Gestaltung einzelner Teile dieser Arbeit. Die Einzelergebnisse dieser Arbeit resultieren in einem neuartigen Forschungsgerät für physische Mensch-Roboter-Interaktionen während des Trainings mit Erwachsenen. Zukünftige Forschungen mit dem RoboTrainer ebnen den Weg für Smarte Rollatoren als Hilfe für die Gesellschaft im Hinblick auf den bevorstehenden demographischen Wandel