Visual Prediction of Rover Slip: Learning Algorithms and Field Experiments

Perception of the surrounding environment is an essential tool for intelligent navigation in any autonomous vehicle. In the context of Mars exploration, there is a strong motivation to enhance the perception of the rovers beyond geometry-based obstacle avoidance, so as to be able to predict potential interactions with the terrain. In this thesis we propose to remotely predict the amount of slip, which reflects the mobility of the vehicle on future terrain. The method is based on learning from experience and uses visual information from stereo imagery as input. We test the algorithm on several robot platforms and in different terrains. We also demonstrate its usefulness in an integrated system, onboard a Mars prototype rover in the JPL Mars Yard. Another desirable capability for an autonomous robot is to be able to learn about its interactions with the environment in a fully automatic fashion. We propose an algorithm which uses the robot's sensors as supervision for vision-based learning of different terrain types. This algorithm can work with noisy and ambiguous signals provided from onboard sensors. To be able to cope with rich, high-dimensional visual representations we propose a novel, nonlinear dimensionality reduction technique which exploits automatic supervision. The method is the first to consider supervised nonlinear dimensionality reduction in a probabilistic framework using supervision which can be noisy or ambiguous. Finally, we consider the problem of learning to recognize different terrains, which addresses the time constraints of an onboard autonomous system. We propose a method which automatically learns a variable-length feature representation depending on the complexity of the classification task. The proposed approach achieves a good trade-off between decrease in computational time and recognition performance.</p

Percepción basada en visión estereoscópica, planificación de trayectorias y estrategias de navegación para exploración robótica autónoma

Tesis inédita de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Informática, Departamento de Ingeniería del Software e Inteligencia artificial, leída el 13-05-2015En esta tesis se trata el desarrollo de una estrategia de navegación autónoma basada en visión artificial para exploración robótica autónoma de superficies planetarias. Se han desarrollado una serie de subsistemas, módulos y software específicos para la investigación desarrollada en este trabajo, ya que la mayoría de las herramientas existentes para este dominio son propiedad de agencias espaciales nacionales, no accesibles a la comunidad científica. Se ha diseñado una arquitectura software modular multi-capa con varios niveles jerárquicos para albergar el conjunto de algoritmos que implementan la estrategia de navegación autónoma y garantizar la portabilidad del software, su reutilización e independencia del hardware. Se incluye también el diseño de un entorno de trabajo destinado a dar soporte al desarrollo de las estrategias de navegación. Éste se basa parcialmente en herramientas de código abierto al alcance de cualquier investigador o institución, con las necesarias adaptaciones y extensiones, e incluye capacidades de simulación 3D, modelos de vehículos robóticos, sensores, y entornos operacionales, emulando superficies planetarias como Marte, para el análisis y validación a nivel funcional de las estrategias de navegación desarrolladas. Este entorno también ofrece capacidades de depuración y monitorización.La presente tesis se compone de dos partes principales. En la primera se aborda el diseño y desarrollo de las capacidades de autonomía de alto nivel de un rover, centrándose en la navegación autónoma, con el soporte de las capacidades de simulación y monitorización del entorno de trabajo previo. Se han llevado a cabo un conjunto de experimentos de campo, con un robot y hardware real, detallándose resultados, tiempo de procesamiento de algoritmos, así como el comportamiento y rendimiento del sistema en general. Como resultado, se ha identificado al sistema de percepción como un componente crucial dentro de la estrategia de navegación y, por tanto, el foco principal de potenciales optimizaciones y mejoras del sistema. Como consecuencia, en la segunda parte de este trabajo, se afronta el problema de la correspondencia en imágenes estéreo y reconstrucción 3D de entornos naturales no estructurados. Se han analizado una serie de algoritmos de correspondencia, procesos de imagen y filtros. Generalmente se asume que las intensidades de puntos correspondientes en imágenes del mismo par estéreo es la misma. Sin embargo, se ha comprobado que esta suposición es a menudo falsa, a pesar de que ambas se adquieren con un sistema de visión compuesto de dos cámaras idénticas. En consecuencia, se propone un sistema experto para la corrección automática de intensidades en pares de imágenes estéreo y reconstrucción 3D del entorno basado en procesos de imagen no aplicados hasta ahora en el campo de la visión estéreo. Éstos son el filtrado homomórfico y la correspondencia de histogramas, que han sido diseñados para corregir intensidades coordinadamente, ajustando una imagen en función de la otra. Los resultados se han podido optimizar adicionalmente gracias al diseño de un proceso de agrupación basado en el principio de continuidad espacial para eliminar falsos positivos y correspondencias erróneas. Se han estudiado los efectos de la aplicación de dichos filtros, en etapas previas y posteriores al proceso de correspondencia, con eficiencia verificada favorablemente. Su aplicación ha permitido la obtención de un mayor número de correspondencias válidas en comparación con los resultados obtenidos sin la aplicación de los mismos, consiguiendo mejoras significativas en los mapas de disparidad y, por lo tanto, en los procesos globales de percepción y reconstrucción 3D.Depto. de Ingeniería de Software e Inteligencia Artificial (ISIA)Fac. de InformáticaTRUEunpu

Haptic robot-environment interaction for self-supervised learning in ground mobility

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Eletrotécnica e de ComputadoresThis dissertation presents a system for haptic interaction and self-supervised learning mechanisms to ascertain navigation affordances from depth cues. A simple pan-tilt telescopic arm and a structured light sensor, both fitted to the robot’s body frame, provide the required haptic and depth sensory feedback. The system aims at incrementally develop the ability to assess the cost of navigating in natural environments. For this purpose the robot learns a mapping between the appearance of objects, given sensory data provided by the sensor, and their bendability, perceived by the pan-tilt telescopic arm. The object descriptor, representing the object in memory and used for comparisons with other objects, is rich for a robust comparison and simple enough to allow for fast computations. The output of the memory learning mechanism allied with the haptic interaction point evaluation prioritize interaction points to increase the confidence on the interaction and correctly identifying obstacles, reducing the risk of the robot getting stuck or damaged. If the system concludes that the object is traversable, the environment change detection system allows the robot to overcome it. A set of field trials show the ability of the robot to progressively learn which elements of environment are traversable