Two Measures for Enhancing Data Association Performance in SLAM

Data association is one of the key problems in the SLAM community. Several data association failures may cause the SLAM results to be divergent. Data association performance in SLAM is affected by both data association methods and sensor information. Two measures of handling sensor information are introduced herein to enhance data association performance in SLAM. For the first measure, truncating strategy of limited features, instead of all matched features, is used for observation update. These features are selected according to an information variable. This truncating strategy is used to lower the effect of false matched features. For the other measure, a special rejecting mechanism is designed to reject suspected observations. When the predicted robot pose is obviously different from the updated robot pose, all observed sensor information at this moment is discarded. The rejecting mechanism aims at eliminating accidental sensor information. Experimental results indicate that the introduced measures perform well in improving the stability of data association in SLAM. These measures are of extraordinary value for real SLAM applications

Uncertainty Minimization in Robotic 3D Mapping Systems Operating in Dynamic Large-Scale Environments

This dissertation research is motivated by the potential and promise of 3D sensing technologies in safety and security applications. With specific focus on unmanned robotic mapping to aid clean-up of hazardous environments, under-vehicle inspection, automatic runway/pavement inspection and modeling of urban environments, we develop modular, multi-sensor, multi-modality robotic 3D imaging prototypes using localization/navigation hardware, laser range scanners and video cameras. While deploying our multi-modality complementary approach to pose and structure recovery in dynamic real-world operating conditions, we observe several data fusion issues that state-of-the-art methodologies are not able to handle. Different bounds on the noise model of heterogeneous sensors, the dynamism of the operating conditions and the interaction of the sensing mechanisms with the environment introduce situations where sensors can intermittently degenerate to accuracy levels lower than their design specification. This observation necessitates the derivation of methods to integrate multi-sensor data considering sensor conflict, performance degradation and potential failure during operation. Our work in this dissertation contributes the derivation of a fault-diagnosis framework inspired by information complexity theory to the data fusion literature. We implement the framework as opportunistic sensing intelligence that is able to evolve a belief policy on the sensors within the multi-agent 3D mapping systems to survive and counter concerns of failure in challenging operating conditions. The implementation of the information-theoretic framework, in addition to eliminating failed/non-functional sensors and avoiding catastrophic fusion, is able to minimize uncertainty during autonomous operation by adaptively deciding to fuse or choose believable sensors. We demonstrate our framework through experiments in multi-sensor robot state localization in large scale dynamic environments and vision-based 3D inference. Our modular hardware and software design of robotic imaging prototypes along with the opportunistic sensing intelligence provides significant improvements towards autonomous accurate photo-realistic 3D mapping and remote visualization of scenes for the motivating applications

Statistical modelling of algorithms for signal processing in systems based on environment perception

One cornerstone for realising automated driving systems is an appropriate handling of uncertainties in the environment perception and situation interpretation. Uncertainties arise due to noisy sensor measurements or the unknown future evolution of a traffic situation. This work contributes to the understanding of these uncertainties by modelling and propagating them with parametric probability distributions

Probabilistic techniques in semantic mapping for mobile robotics

Los mapas semánticos son representaciones del mundo que permiten a un robot entender no sólo los aspectos espaciales de su lugar de trabajo, sino también el significado de sus elementos (objetos, habitaciones, etc.) y como los humanos interactúan con ellos (e.g. funcionalidades, eventos y relaciones). Para conseguirlo, un mapa semántico añade a las representaciones puramente espaciales, tales como mapas geométricos o topológicos, meta-información sobre los tipos de elementos y relaciones que pueden encontrarse en el entorno de trabajo. Esta meta-información, denominada conocimiento semántico o de sentido común, se codifica típicamente en Bases de Conocimiento. Un ejemplo de este tipo de información podría ser: "los frigoríficos son objetos grandes, con forma rectangular, colocados normalmente en las cocinas, y que pueden contener comida perecedera y medicación". Codificar y manejar este conocimiento semántico permite al robot razonar acerca de la información obtenida de un cierto lugar de trabajo, así como inferir nueva información con el fin de ejecutar eficientemente tareas de alto nivel como "¡hola robot! llévale la medicación a la abuela, por favor". La presente tesis propone la utilización de técnicas probabilísticas para construir y mantener mapas semánticos, lo cual presenta tres ventajas principales en comparación con los enfoques tradicionales: i) permite manejar incertidumbre (proveniente de los sensores imprecisos del robot y de los modelos empleados), ii) provee representaciones del entorno coherentes por medio del aprovechamiento de las relaciones contextuales entre los elementos observados (e.g. los frigoríficos usualmente se encuentran en las cocinas) desde un punto de vista holístico, y iii) produce valores de certidumbre que reflejan el grado de exactitud de la comprensión del robot acerca de su entorno. Específicamente, las contribuciones presentadas pueden agruparse en dos temas principales. El primer conjunto de contribuciones se basa en el problema del reconocimiento de objetos y/o habitaciones, ya que los sistemas de mapeo semántico deben contar con algoritmos de reconocimiento fiables para la construcción de representaciones válidas. Para ello se ha explorado la utilización de Modelos Gráficos Probabilísticos (Probabilistic Graphical Models o PGMs en inglés) con el fin de aprovechar las relaciones de contexto entre objetos y/o habitaciones a la vez que se maneja la incertidumbre inherente al problema de reconocimiento, y el empleo de Bases de Conocimiento para mejorar su desempeño de distintos modos, e.g., detectando resultados incoherentes, proveyendo información a priori, reduciendo la complejidad de los algoritmos de inferencia probabilística, generando ejemplos de entrenamiento sintéticos, habilitando el aprendizaje a partir de experiencias pasadas, etc. El segundo grupo de contribuciones acomoda los resultados probabilísticos provenientes de los algoritmos de reconocimiento desarrollados en una nueva representación semántica, denominada Multiversal Semantic Map (MvSmap). Este mapa gestiona múltiples interpretaciones del espacio de trabajo del robot, llamadas universos, los cuales son anotados con la probabilidad de ser los correctos de acuerdo con el conocimiento actual del robot. Así, este enfoque proporciona una creencia fundamentada sobre la exactitud de la comprensión del robot sobre su entorno, lo que le permite operar de una manera más eficiente y coherente. Los algoritmos probabilísticos propuestos han sido testeados concienzudamente y comparados con otros enfoques actuales e innovadores empleando conjuntos de datos del estado del arte. De manera adicional, esta tesis también contribuye con dos conjuntos de datos, UMA-Offices and Robot@Home, los cuales contienen información sensorial capturada en distintos entornos de oficinas y casas, así como dos herramientas software, la librería Undirected Probabilistic Graphical Models in C++ (UPGMpp), y el conjunto de herramientas Object Labeling Toolkit (OLT), para el trabajo con Modelos Gráficos Probabilísticos y el procesamiento de conjuntos de datos respectivamente

On the Synergies between Machine Learning and Binocular Stereo for Depth Estimation from Images: a Survey

Stereo matching is one of the longest-standing problems in computer vision with close to 40 years of studies and research. Throughout the years the paradigm has shifted from local, pixel-level decision to various forms of discrete and continuous optimization to data-driven, learning-based methods. Recently, the rise of machine learning and the rapid proliferation of deep learning enhanced stereo matching with new exciting trends and applications unthinkable until a few years ago. Interestingly, the relationship between these two worlds is two-way. While machine, and especially deep, learning advanced the state-of-the-art in stereo matching, stereo itself enabled new ground-breaking methodologies such as self-supervised monocular depth estimation based on deep networks. In this paper, we review recent research in the field of learning-based depth estimation from single and binocular images highlighting the synergies, the successes achieved so far and the open challenges the community is going to face in the immediate future.Comment: Accepted to TPAMI. Paper version of our CVPR 2019 tutorial: "Learning-based depth estimation from stereo and monocular images: successes, limitations and future challenges" (https://sites.google.com/view/cvpr-2019-depth-from-image/home