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)

GUARDIANS final report

Emergencies in industrial warehouses are a major concern for firefghters. The large dimensions together with the development of dense smoke that drastically reduces visibility, represent major challenges. The Guardians robot swarm is designed to assist fire fighters in searching a large warehouse. In this report we discuss the technology developed for a swarm of robots searching and assisting fire fighters. We explain the swarming algorithms which provide the functionality by which the robots react to and follow humans while no communication is required. Next we discuss the wireless communication system, which is a so-called mobile ad-hoc network. The communication network provides also one of the means to locate the robots and humans. Thus the robot swarm is able to locate itself and provide guidance information to the humans. Together with the re ghters we explored how the robot swarm should feed information back to the human fire fighter. We have designed and experimented with interfaces for presenting swarm based information to human beings

LiDAR based multi-sensor fusion for localization, mapping, and tracking

Viimeisen vuosikymmenen aikana täysin itseohjautuvien ajoneuvojen kehitys on herättänyt laajaa kiinnostusta niin teollisuudessa kuin tiedemaailmassakin, mikä on merkittävästi edistänyt tilannetietoisuuden ja anturiteknologian kehitystä. Erityisesti LiDAR-anturit ovat nousseet keskeiseen rooliin monissa havainnointijärjestelmissä niiden tarjoaman pitkän kantaman havaintokyvyn, tarkan 3D-etäisyystiedon ja luotettavan suorituskyvyn ansiosta. LiDAR-teknologian kehittyminen on mahdollistanut entistä luotettavampien ja kustannustehokkaampien antureiden käytön, mikä puolestaan on osoittanut suurta potentiaalia parantaa laajasti käytettyjen kuluttajatuotteiden tilannetietoisuutta. Uusien LiDAR-antureiden hyödyntäminen tarjoaa tutkijoille monipuolisen valikoiman tehokkaita työkaluja, joiden avulla voidaan ratkaista paikannuksen, kartoituksen ja seurannan haasteita nykyisissä havaintojärjestelmissä. Tässä väitöskirjassa tutkitaan LiDAR-pohjaisia sensorifuusioalgoritmeja. Tutkimuksen pääpaino on tiheässä kartoituksessa ja globaalissa paikan-nuksessa erilaisten LiDAR-anturien avulla. Tutkimuksessa luodaan kattava tietokanta uusien LiDAR-, IMU- ja kamera-antureiden tuottamasta datasta. Tietokanta on välttämätön kehittyneiden anturifuusioalgoritmien ja yleiskäyttöisten paikannus- ja kartoitusalgoritmien kehittämiseksi. Tämän lisäksi väitöskirjassa esitellään innovatiivisia menetelmiä globaaliin paikannukseen erilaisissa ympäristöissä. Esitellyt menetelmät kartoituksen tarkkuuden ja tilannetietoisuuden parantamiseksi ovat muun muassa modulaarinen monen LiDAR-anturin odometria ja kartoitus, toimintavarma multimodaalinen LiDAR-inertiamittau-sjärjestelmä ja tiheä kartoituskehys. Tutkimus integroi myös kiinteät LiDAR -anturit kamerapohjaisiin syväoppimismenetelmiin kohteiden seurantaa varten parantaen kartoituksen tarkkuutta dynaamisissa ympäristöissä. Näiden edistysaskeleiden avulla autonomisten järjestelmien luotettavuutta ja tehokkuutta voidaan merkittävästi parantaa todellisissa käyttöympäristöissä. Väitöskirja alkaa esittelemällä innovatiiviset anturit ja tiedonkeruualustan. Tämän jälkeen esitellään avoin tietokanta, jonka avulla voidaan arvioida kehittyneitä paikannus- ja kartoitusalgoritmeja hyödyntäen ainutlaatuista perustotuuden kehittämismenetelmää. Työssä käsitellään myös kahta haastavaa paikannusympäristöä: metsä- ja kaupunkiympäristöä. Lisäksi tarkastellaan kohteen seurantatehtäviä sekä kameraettä LiDAR-tekniikoilla ihmisten ja pienten droonien seurannassa. ---------------------- The development of fully autonomous driving vehicles has become a key focus for both industry and academia over the past decade, fostering significant progress in situational awareness abilities and sensor technology. Among various types of sensors, the LiDAR sensor has emerged as a pivotal component in many perception systems due to its long-range detection capabilities, precise 3D range information, and reliable performance in diverse environments. With advancements in LiDAR technology, more reliable and cost-effective sensors have shown great potential for improving situational awareness abilities in widely used consumer products. By leveraging these novel LiDAR sensors, researchers now have a diverse set of powerful tools to effectively tackle the persistent challenges in localization, mapping, and tracking within existing perception systems. This thesis explores LiDAR-based sensor fusion algorithms to address perception challenges in autonomous systems, with a primary focus on dense mapping and global localization using diverse LiDAR sensors. The research involves the integration of novel LiDARs, IMU, and camera sensors to create a comprehensive dataset essential for developing advanced sensor fusion and general-purpose localization and mapping algorithms. Innovative methodologies for global localization across varied environments are introduced. These methodologies include a robust multi-modal LiDAR inertial odometry and a dense mapping framework, which enhance mapping precision and situational awareness. The study also integrates solid-state LiDARs with camera-based deep-learning techniques for object tracking, refining mapping accuracy in dynamic environments. These advancements significantly enhance the reliability and efficiency of autonomous systems in real-world scenarios. The thesis commences with an introduction to innovative sensors and a data collection platform. It proceeds by presenting an open-source dataset designed for the evaluation of advanced SLAM algorithms, utilizing a unique ground-truth generation method. Subsequently, the study tackles two localization challenges in forest and urban environments. Furthermore, it highlights the MM-LOAM dense mapping framework. Additionally, the research explores object-tracking tasks, employing both camera and LiDAR technologies for human and micro UAV tracking

Towards vision based navigation in large indoor environments

The main contribution of this paper is a novel stereo-based algorithm which serves as a tool to examine the viability of stereo vision solutions to the simultaneous localisation and mapping (SLAM) for large indoor environments. Using features extracted from the scale invariant feature transform (SIFT) and depth maps from a small vision system (SVS) stereo head, an extended Kalman fllter (EKF) based SLAM algorithm, that allows the independent use of information relating to depth and bearing, is developed. By means of a map pruning strategy for managing the computational cost, it is demonstrated that statistically consistent location estimates can be generated for a small (6 m × 6 m) structured office environment, and in a robotics search and rescue arena of similar size. It is shown that in a larger office environment, the proposed algorithm generates location estimates which are topologically correct, but statistically inconsistent. A discussion on the possible reasons for the inconsistency is presented. The paper highlights that, despite recent advances, building accurate geometric maps of large environments with vision only sensing is still a challenging task. ©2006 IEEE