Fast, Autonomous Flight in GPS-Denied and Cluttered Environments

One of the most challenging tasks for a flying robot is to autonomously navigate between target locations quickly and reliably while avoiding obstacles in its path, and with little to no a-priori knowledge of the operating environment. This challenge is addressed in the present paper. We describe the system design and software architecture of our proposed solution, and showcase how all the distinct components can be integrated to enable smooth robot operation. We provide critical insight on hardware and software component selection and development, and present results from extensive experimental testing in real-world warehouse environments. Experimental testing reveals that our proposed solution can deliver fast and robust aerial robot autonomous navigation in cluttered, GPS-denied environments.Comment: Pre-peer reviewed version of the article accepted in Journal of Field Robotic

A multi-hypothesis approach for range-only simultaneous localization and mapping with aerial robots

Los sistemas de Range-only SLAM (o RO-SLAM) tienen como objetivo la construcción de un mapa formado por la posición de un conjunto de sensores de distancia y la localización simultánea del robot con respecto a dicho mapa, utilizando únicamente para ello medidas de distancia. Los sensores de distancia son dispositivos capaces de medir la distancia relativa entre cada par de dispositivos. Estos sensores son especialmente interesantes para su applicación a vehículos aéreos debido a su reducido tamaño y peso. Además, estos dispositivos son capaces de operar en interiores o zonas con carencia de señal GPS y no requieren de una línea de visión directa entre cada par de dispositivos a diferencia de otros sensores como cámaras o sensores laser, permitiendo así obtener una lectura de datos continuada sin oclusiones. Sin embargo, estos sensores presentan un modelo de observación no lineal con una deficiencia de rango debido a la carencia de información de orientación relativa entre cada par de sensores. Además, cuando se incrementa la dimensionalidad del problema de 2D a 3D para su aplicación a vehículos aéreos, el número de variables ocultas del modelo aumenta haciendo el problema más costoso computacionalmente especialmente ante implementaciones multi-hipótesis. Esta tesis estudia y propone diferentes métodos que permitan la aplicación eficiente de estos sistemas RO-SLAM con vehículos terrestres o aéreos en entornos reales. Para ello se estudia la escalabilidad del sistema en relación al número de variables ocultas y el número de dispositivos a posicionar en el mapa. A diferencia de otros métodos descritos en la literatura de RO-SLAM, los algoritmos propuestos en esta tesis tienen en cuenta las correlaciones existentes entre cada par de dispositivos especialmente para la integración de medidas estÃa˛ticas entre pares de sensores del mapa. Además, esta tesis estudia el ruido y las medidas espúreas que puedan generar los sensores de distancia para mejorar la robustez de los algoritmos propuestos con técnicas de detección y filtración. También se proponen métodos de integración de medidas de otros sensores como cámaras, altímetros o GPS para refinar las estimaciones realizadas por el sistema RO-SLAM. Otros capítulos estudian y proponen técnicas para la integración de los algoritmos RO-SLAM presentados a sistemas con múltiples robots, así como el uso de técnicas de percepción activa que permitan reducir la incertidumbre del sistema ante trayectorias con carencia de trilateración entre el robot y los sensores de destancia estáticos del mapa. Todos los métodos propuestos han sido validados mediante simulaciones y experimentos con sistemas reales detallados en esta tesis. Además, todos los sistemas software implementados, así como los conjuntos de datos registrados durante la experimentación han sido publicados y documentados para su uso en la comunidad científica

Trajectory Servoing: Image-Based Trajectory Tracking without Absolute Positioning

The thesis describes an image based visual servoing (IBVS) system for a non-holonomic robot to achieve good trajectory following without real-time robot pose information and without a known visual map of the environment. We call it trajectory servoing. The critical component is a feature based, indirect SLAM method to provide a pool of available features with estimated depth and covariance, so that they may be propagated forward in time to generate image feature trajectories with uncertainty information for visual servoing. Short and long distance experiments show the benefits of trajectory servoing for navigating unknown areas without absolute positioning. Trajectory servoing is shown to be more accurate than SLAM pose-based feedback and further improved by a weighted least square controller using covariance from the underlying SLAM system.M.S

A collaborative monocular visual simultaneous localization and mapping solution to generate a semi-dense 3D map.

The utilization and generation of indoor maps are critical in accurate indoor tracking. Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) is one of the main techniques used for such map generation. In SLAM, an agent generates a map of an unknown environment while approximating its own location in it. The prevalence and afford-ability of cameras encourage the use of Monocular Visual SLAM, where a camera is the only sensing device for the SLAM process. In modern applications, multiple mobile agents may be involved in the generation of indoor maps, thus requiring a distributed computational framework. Each agent generates its own local map, which can then be combined with those of other agents into a map covering a larger area. In doing so, they cover a given environment faster than a single agent. Furthermore, they can interact with each other in the same environment, making this framework more practical, especially for collaborative applications such as augmented reality. One of the main challenges of collaborative SLAM is identifying overlapping maps, especially when the relative starting positions of the agents are unknown. We propose a system comprised of multiple monocular agents with unknown relative starting positions to generate a semi-dense global map of the environment

Distributed Monocular SLAM for Indoor Map Building

Utilization and generation of indoor maps are critical elements in accurate indoor tracking. Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) is one of the main techniques for such map generation. In SLAM an agent generates a map of an unknown environment while estimating its location in it. Ubiquitous cameras lead to monocular visual SLAM, where a camera is the only sensing device for the SLAM process. In modern applications, multiple mobile agents may be involved in the generation of such maps, thus requiring a distributed computational framework. Each agent can generate its own local map, which can then be combined into a map covering a larger area. By doing so, they can cover a given environment faster than a single agent. Furthermore, they can interact with each other in the same environment, making this framework more practical, especially for collaborative applications such as augmented reality. One of the main challenges of distributed SLAM is identifying overlapping maps, especially when relative starting positions of agents are unknown. In this paper, we are proposing a system having multiple monocular agents, with unknown relative starting positions, which generates a semidense global map of the environment