Towards Collaborative Simultaneous Localization and Mapping: a Survey of the Current Research Landscape

Motivated by the tremendous progress we witnessed in recent years, this paper presents a survey of the scientific literature on the topic of Collaborative Simultaneous Localization and Mapping (C-SLAM), also known as multi-robot SLAM. With fleets of self-driving cars on the horizon and the rise of multi-robot systems in industrial applications, we believe that Collaborative SLAM will soon become a cornerstone of future robotic applications. In this survey, we introduce the basic concepts of C-SLAM and present a thorough literature review. We also outline the major challenges and limitations of C-SLAM in terms of robustness, communication, and resource management. We conclude by exploring the area's current trends and promising research avenues.Comment: 44 pages, 3 figure

Distributed consensus in multi-robot systems with visual perception

La idea de equipos de robots actuando con autonomía y de manera cooperativa está cada día más cerca de convertirse en realidad. Los sistemas multi robot pueden ejecutar tareas de gran complejidad con mayor robustez y en menos tiempo que un robot trabajando solo. Por otra parte, la coordinación de un equipo de robots introduce complicaciones que los ingenieros encargados de diseñar estos sistemas deben afrontar. Conseguir que la percepción del entorno sea consistente en todos los robots es uno de los aspectos más importantes requeridos en cualquier tarea cooperativa, lo que implica que las observaciones de cada robot del equipo deben ser transmitidas a todos los otros miembros. Cuando dos o más robots poseen información común del entorno, el equipo debe alcanzar un consenso usando toda la información disponible. Esto se debe hacer considerando las limitaciones de cada robot, teniendo en cuenta que no todos los robots se pueden comunicar unos con otros. Con este objetivo, se aborda la tarea de diseñar algoritmos distribuidos que consigan que un equipo de robots llegue a un consenso acerca de la información percibida por todos los miembros. Específicamente, nos centramos en resolver este problema cuando los robots usan la visión como sensor para percibir el entorno. Las cámaras convencionales son muy útiles a la hora de ejecutar tareas como la navegación y la construcción de mapas, esenciales en el ámbito de la robótica, gracias a la gran cantidad de información que contiene cada imagen. Sin embargo, el uso de estos sensores en un marco distribuido introduce una gran cantidad de complicaciones adicionales que deben ser abordadas si se quiere cumplir el objetivo propuesto. En esta Tesis presentamos un estudio profundo de los algoritmos distribuidos de consenso y cómo estos pueden ser usados por un equipo de robots equipados con cámaras convencionales, resolviendo los aspectos más importantes relacionados con el uso de estos sensores. En la primera parte de la Tesis nos centramos en encontrar correspondencias globales entre las observaciones de todos los robots. De esta manera, los robots son capaces de detectar que observaciones deben ser combinadas para el cálculo del consenso. También lidiamos con el problema de la robustez y la detección distribuida de espurios durante el cálculo del consenso. Para contrarrestar el incremento del tamaño de los mensajes intercambiados por los robots en las etapas anteriores, usamos las propiedades de los polinomios de Chebyshev, reduciendo el número de iteraciones que se requieren para alcanzar el consenso. En la segunda parte de la Tesis, centramos nuestra atención en los problemas de crear un mapa y controlar el movimiento del equipo de robots. Presentamos soluciones para alcanzar un consenso en estos escenarios mediante el uso de técnicas de visión por computador ampliamente conocidas. El uso de algoritmos de estructura y movimiento nos permite obviar restricciones tales como que los robots tengan que observarse unos a otros directamente durante el control o la necesidad de especificar un marco de referencia común. Adicionalmente, nuestros algoritmos tienen un comportamiento robusto cuando la calibración de las cámaras no se conoce. Finalmente, la evaluación de las propuestas se realiza utilizando un data set de un entorno urbano y robots reales con restricciones de movimiento no holónomas. Todos los algoritmos que se presentan en esta Tesis han sido diseñados para ser ejecutados de manera distribuida. En la Tesis demostramos de manera teórica las principales propiedades de los algoritmos que se proponen y evaluamos la calidad de los mismos con datos simulados e imágenes reales. En resumen, las principales contribuciones de esta Tesis son: • Un conjunto de algoritmos distribuidos que permiten a un equipo de robots equipados con cámaras convencionales alcanzar un consenso acerca de la información que perciben. En particular, proponemos tres algoritmos distribuidos con el objetivo de resolver los problemas de encontrar correspondencias globales entre la información de todos los robots, detectar y descartar información espuria, y reducir el número de veces que los robots tienen que comunicarse entre ellos antes de alcanzar el consenso. • La combinación de técnicas de consenso distribuido y estructura y movimiento en tareas de control y percepción. Se ha diseñado un algoritmo para construir un mapa topológico de manera cooperativa usando planos como características del mapa y restricciones de homografía como elementos para relacionar las observaciones de los robots. También se ha propuesto una ley de control distribuida utilizando la geometría epipolar con el objetivo de hacer que el equipo de robots alcance una orientación común sin la necesidad de observarse directamente unos a otros

Past, Present, and Future of Simultaneous Localization And Mapping: Towards the Robust-Perception Age

Simultaneous Localization and Mapping (SLAM)consists in the concurrent construction of a model of the environment (the map), and the estimation of the state of the robot moving within it. The SLAM community has made astonishing progress over the last 30 years, enabling large-scale real-world applications, and witnessing a steady transition of this technology to industry. We survey the current state of SLAM. We start by presenting what is now the de-facto standard formulation for SLAM. We then review related work, covering a broad set of topics including robustness and scalability in long-term mapping, metric and semantic representations for mapping, theoretical performance guarantees, active SLAM and exploration, and other new frontiers. This paper simultaneously serves as a position paper and tutorial to those who are users of SLAM. By looking at the published research with a critical eye, we delineate open challenges and new research issues, that still deserve careful scientific investigation. The paper also contains the authors' take on two questions that often animate discussions during robotics conferences: Do robots need SLAM? and Is SLAM solved

AutoMerge: A Framework for Map Assembling and Smoothing in City-scale Environments

We present AutoMerge, a LiDAR data processing framework for assembling a large number of map segments into a complete map. Traditional large-scale map merging methods are fragile to incorrect data associations, and are primarily limited to working only offline. AutoMerge utilizes multi-perspective fusion and adaptive loop closure detection for accurate data associations, and it uses incremental merging to assemble large maps from individual trajectory segments given in random order and with no initial estimations. Furthermore, after assembling the segments, AutoMerge performs fine matching and pose-graph optimization to globally smooth the merged map. We demonstrate AutoMerge on both city-scale merging (120km) and campus-scale repeated merging (4.5km x 8). The experiments show that AutoMerge (i) surpasses the second- and third- best methods by 14% and 24% recall in segment retrieval, (ii) achieves comparable 3D mapping accuracy for 120 km large-scale map assembly, (iii) and it is robust to temporally-spaced revisits. To the best of our knowledge, AutoMerge is the first mapping approach that can merge hundreds of kilometers of individual segments without the aid of GPS.Comment: 18 pages, 18 figur

Collaborative autonomy in heterogeneous multi-robot systems

As autonomous mobile robots become increasingly connected and widely deployed in different domains, managing multiple robots and their interaction is key to the future of ubiquitous autonomous systems. Indeed, robots are not individual entities anymore. Instead, many robots today are deployed as part of larger fleets or in teams. The benefits of multirobot collaboration, specially in heterogeneous groups, are multiple. Significantly higher degrees of situational awareness and understanding of their environment can be achieved when robots with different operational capabilities are deployed together. Examples of this include the Perseverance rover and the Ingenuity helicopter that NASA has deployed in Mars, or the highly heterogeneous robot teams that explored caves and other complex environments during the last DARPA Sub-T competition. This thesis delves into the wide topic of collaborative autonomy in multi-robot systems, encompassing some of the key elements required for achieving robust collaboration: solving collaborative decision-making problems; securing their operation, management and interaction; providing means for autonomous coordination in space and accurate global or relative state estimation; and achieving collaborative situational awareness through distributed perception and cooperative planning. The thesis covers novel formation control algorithms, and new ways to achieve accurate absolute or relative localization within multi-robot systems. It also explores the potential of distributed ledger technologies as an underlying framework to achieve collaborative decision-making in distributed robotic systems. Throughout the thesis, I introduce novel approaches to utilizing cryptographic elements and blockchain technology for securing the operation of autonomous robots, showing that sensor data and mission instructions can be validated in an end-to-end manner. I then shift the focus to localization and coordination, studying ultra-wideband (UWB) radios and their potential. I show how UWB-based ranging and localization can enable aerial robots to operate in GNSS-denied environments, with a study of the constraints and limitations. I also study the potential of UWB-based relative localization between aerial and ground robots for more accurate positioning in areas where GNSS signals degrade. In terms of coordination, I introduce two new algorithms for formation control that require zero to minimal communication, if enough degree of awareness of neighbor robots is available. These algorithms are validated in simulation and real-world experiments. The thesis concludes with the integration of a new approach to cooperative path planning algorithms and UWB-based relative localization for dense scene reconstruction using lidar and vision sensors in ground and aerial robots