Pop-up SLAM: Semantic Monocular Plane SLAM for Low-texture Environments

Existing simultaneous localization and mapping (SLAM) algorithms are not robust in challenging low-texture environments because there are only few salient features. The resulting sparse or semi-dense map also conveys little information for motion planning. Though some work utilize plane or scene layout for dense map regularization, they require decent state estimation from other sources. In this paper, we propose real-time monocular plane SLAM to demonstrate that scene understanding could improve both state estimation and dense mapping especially in low-texture environments. The plane measurements come from a pop-up 3D plane model applied to each single image. We also combine planes with point based SLAM to improve robustness. On a public TUM dataset, our algorithm generates a dense semantic 3D model with pixel depth error of 6.2 cm while existing SLAM algorithms fail. On a 60 m long dataset with loops, our method creates a much better 3D model with state estimation error of 0.67%.Comment: International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS) 201

Human-Like room segmentation for domestic cleaning robots

Fleer DR. Human-Like room segmentation for domestic cleaning robots. Robotics. 2017;6(4): 35.Autonomous mobile robots have recently become a popular solution for automating cleaning tasks. In one application, the robot cleans a floor space by traversing and covering it completely. While fulfilling its task, such a robot may create a map of its surroundings. For domestic indoor environments, these maps often consist of rooms connected by passageways. Segmenting the map into these rooms has several uses, such as hierarchical planning of cleaning runs by the robot, or the definition of cleaning plans by the user. Especially in the latter application, the robot-generated room segmentation should match the human understanding of rooms. Here, we present a novel method that solves this problem for the graph of a topo-metric map: first, a classifier identifies those graph edges that cross a border between rooms. This classifier utilizes data from multiple robot sensors, such as obstacle measurements and camera images. Next, we attempt to segment the map at these room–border edges using graph clustering. By training the classifier on user-annotated data, this produces a human-like room segmentation. We optimize and test our method on numerous realistic maps generated by our cleaning-robot prototype and its simulated version. Overall, we find that our method produces more human-like room segmentations compared to mere graph clustering. However, unusual room borders that differ from the training data remain a challen

Vision-Based Autonomous Robotic Floor Cleaning in Domestic Environments

Fleer DR. Vision-Based Autonomous Robotic Floor Cleaning in Domestic Environments. Bielefeld: Universität Bielefeld; 2018

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

PERFORMANCE EVALUATION AND REVIEW FRAMEWORK OF ROBOTIC MISSIONS (PERFORM): AUTONOMOUS PATH PLANNING AND AUTONOMY PERFORMANCE EVALUATION

The scope of this work spans two main areas of autonomy research 1) autonomous path planning and 2) test and evaluation of autonomous systems. Path planning is an integral part of autonomous decision-making, and a deep understanding in this area provides valuable perspective on approaching the problem of how to effectively evaluate vehicle behavior. Autonomous decision-making capabilities must include reliability, robustness, and trustworthiness in a real-world environment. A major component of robot decision-making lies in intelligent path-planning. Serving as the brains of an autonomous system, an efficient and reliable path planner is crucial to mission success and overall safety. A hybrid global and local planner is implemented using a combination of the Potential Field Method (PFM) and A-star (A*) algorithms. Created using a layered vector field strategy, this allows for flexibility along with the ability to add and remove layers to take into account other parameters such as currents, wind, dynamics, and the International Regulations for Preventing Collisions at Sea (COLGREGS). Different weights can be attributed to each layer based on the determined level of importance in a hierarchical manner. Different obstacle scenarios are shown in simulation, and proof-of-concept validation of the path-planning algorithms on an actual ASV is accomplished in an indoor environment. Results show that the combination of PFM and A* complement each other to generate a successfully planned path to goal that alleviates local minima and entrapment issues. Additionally, the planner demonstrates the ability to update for new obstacles in real time using an obstacle detection sensor. Regarding test and evaluation of autonomous vehicles, trust and confidence in autonomous behavior is required to send autonomous vehicles into operational missions. The author introduces the Performance Evaluation and Review Framework Of Robotic Missions (PERFORM), a framework for which to enable a rigorous and replicable autonomy test environment, thereby filling the void between that of merely simulating autonomy and that of completing true field missions. A generic architecture for defining the missions under test is proposed and a unique Interval Type-2 Fuzzy Logic approach is used as the foundation for the mathematically rigorous autonomy evaluation framework. The test environment is designed to aid in (1) new technology development (i.e. providing direct comparisons and quantitative evaluations of varying autonomy algorithms), (2) the validation of the performance of specific autonomous platforms, and (3) the selection of the appropriate robotic platform(s) for a given mission type (e.g. for surveying, surveillance, search and rescue). Several case studies are presented to apply the metric to various test scenarios. Results demonstrate the flexibility of the technique with the ability to tailor tests to the user’s design requirements accounting for different priorities related to acceptable risks and goals of a given mission

A robust and fast method for 6DoF motion estimation from generalized 3D data

Nowadays, there is an increasing number of robotic applications that need to act in real three-dimensional (3D) scenarios. In this paper we present a new mobile robotics orientated 3D registration method that improves previous Iterative Closest Points based solutions both in speed and accuracy. As an initial step, we perform a low cost computational method to obtain descriptions for 3D scenes planar surfaces. Then, from these descriptions we apply a force system in order to compute accurately and efficiently a six degrees of freedom egomotion. We describe the basis of our approach and demonstrate its validity with several experiments using different kinds of 3D sensors and different 3D real environments.This work has been supported by project DPI2009-07144 from Ministerio de Educación y Ciencia (Spain) and GRE10-35 from Universidad de Alicante (Spain)

Developing new techniques for modelling crowd movement

Vol 2 only - vol 1 missin

Advances in Robot Navigation

Robot navigation includes different interrelated activities such as perception - obtaining and interpreting sensory information; exploration - the strategy that guides the robot to select the next direction to go; mapping - the construction of a spatial representation by using the sensory information perceived; localization - the strategy to estimate the robot position within the spatial map; path planning - the strategy to find a path towards a goal location being optimal or not; and path execution, where motor actions are determined and adapted to environmental changes. This book integrates results from the research work of authors all over the world, addressing the abovementioned activities and analyzing the critical implications of dealing with dynamic environments. Different solutions providing adaptive navigation are taken from nature inspiration, and diverse applications are described in the context of an important field of study: social robotics