Long-term experiments with an adaptive spherical view representation for navigation in changing environments

Real-world environments such as houses and offices change over time, meaning that a mobile robot’s map will become out of date. In this work, we introduce a method to update the reference views in a hybrid metric-topological map so that a mobile robot can continue to localize itself in a changing environment. The updating mechanism, based on the multi-store model of human memory, incorporates a spherical metric representation of the observed visual features for each node in the map, which enables the robot to estimate its heading and navigate using multi-view geometry, as well as representing the local 3D geometry of the environment. A series of experiments demonstrate the persistence performance of the proposed system in real changing environments, including analysis of the long-term stability

Modeling the environment with egocentric vision systems

Cada vez más sistemas autónomos, ya sean robots o sistemas de asistencia, están presentes en nuestro día a día. Este tipo de sistemas interactúan y se relacionan con su entorno y para ello necesitan un modelo de dicho entorno. En función de las tareas que deben realizar, la información o el detalle necesario del modelo varía. Desde detallados modelos 3D para sistemas de navegación autónomos, a modelos semánticos que incluyen información importante para el usuario como el tipo de área o qué objetos están presentes. La creación de estos modelos se realiza a través de las lecturas de los distintos sensores disponibles en el sistema. Actualmente, gracias a su pequeño tamaño, bajo precio y la gran información que son capaces de capturar, las cámaras son sensores incluidos en todos los sistemas autónomos. El objetivo de esta tesis es el desarrollar y estudiar nuevos métodos para la creación de modelos del entorno a distintos niveles semánticos y con distintos niveles de precisión. Dos puntos importantes caracterizan el trabajo desarrollado en esta tesis: - El uso de cámaras con punto de vista egocéntrico o en primera persona ya sea en un robot o en un sistema portado por el usuario (wearable). En este tipo de sistemas, las cámaras son solidarias al sistema móvil sobre el que van montadas. En los últimos años han aparecido muchos sistemas de visión wearables, utilizados para multitud de aplicaciones, desde ocio hasta asistencia de personas. - El uso de sistemas de visión omnidireccional, que se distinguen por su gran campo de visión, incluyendo mucha más información en cada imagen que las cámara convencionales. Sin embargo plantean nuevas dificultades debido a distorsiones y modelos de proyección más complejos. Esta tesis estudia distintos tipos de modelos del entorno: - Modelos métricos: el objetivo de estos modelos es crear representaciones detalladas del entorno en las que localizar con precisión el sistema autónomo. Ésta tesis se centra en la adaptación de estos modelos al uso de visión omnidireccional, lo que permite capturar más información en cada imagen y mejorar los resultados en la localización. - Modelos topológicos: estos modelos estructuran el entorno en nodos conectados por arcos. Esta representación tiene menos precisión que la métrica, sin embargo, presenta un nivel de abstracción mayor y puede modelar el entorno con más riqueza. %, por ejemplo incluyendo el tipo de área de cada nodo, la localización de objetos importantes o el tipo de conexión entre los distintos nodos. Esta tesis se centra en la creación de modelos topológicos con información adicional sobre el tipo de área de cada nodo y conexión (pasillo, habitación, puertas, escaleras...). - Modelos semánticos: este trabajo también contribuye en la creación de nuevos modelos semánticos, más enfocados a la creación de modelos para aplicaciones en las que el sistema interactúa o asiste a una persona. Este tipo de modelos representan el entorno a través de conceptos cercanos a los usados por las personas. En particular, esta tesis desarrolla técnicas para obtener y propagar información semántica del entorno en secuencias de imágen

Value Iteration Networks on Multiple Levels of Abstraction

Learning-based methods are promising to plan robot motion without performing extensive search, which is needed by many non-learning approaches. Recently, Value Iteration Networks (VINs) received much interest since---in contrast to standard CNN-based architectures---they learn goal-directed behaviors which generalize well to unseen domains. However, VINs are restricted to small and low-dimensional domains, limiting their applicability to real-world planning problems. To address this issue, we propose to extend VINs to representations with multiple levels of abstraction. While the vicinity of the robot is represented in sufficient detail, the representation gets spatially coarser with increasing distance from the robot. The information loss caused by the decreasing resolution is compensated by increasing the number of features representing a cell. We show that our approach is capable of solving significantly larger 2D grid world planning tasks than the original VIN implementation. In contrast to a multiresolution coarse-to-fine VIN implementation which does not employ additional descriptive features, our approach is capable of solving challenging environments, which demonstrates that the proposed method learns to encode useful information in the additional features. As an application for solving real-world planning tasks, we successfully employ our method to plan omnidirectional driving for a search-and-rescue robot in cluttered terrain