Learning to Prevent Monocular SLAM Failure using Reinforcement Learning

Monocular SLAM refers to using a single camera to estimate robot ego motion while building a map of the environment. While Monocular SLAM is a well studied problem, automating Monocular SLAM by integrating it with trajectory planning frameworks is particularly challenging. This paper presents a novel formulation based on Reinforcement Learning (RL) that generates fail safe trajectories wherein the SLAM generated outputs do not deviate largely from their true values. Quintessentially, the RL framework successfully learns the otherwise complex relation between perceptual inputs and motor actions and uses this knowledge to generate trajectories that do not cause failure of SLAM. We show systematically in simulations how the quality of the SLAM dramatically improves when trajectories are computed using RL. Our method scales effectively across Monocular SLAM frameworks in both simulation and in real world experiments with a mobile robot.Comment: Accepted at the 11th Indian Conference on Computer Vision, Graphics and Image Processing (ICVGIP) 2018 More info can be found at the project page at https://robotics.iiit.ac.in/people/vignesh.prasad/SLAMSafePlanner.html and the supplementary video can be found at https://www.youtube.com/watch?v=420QmM_Z8v

Robot Navigation in Human Environments

For the near future, we envision service robots that will help us with everyday chores in home, office, and urban environments. These robots need to work in environments that were designed for humans and they have to collaborate with humans to fulfill their tasks. In this thesis, we propose new methods for communicating, transferring knowledge, and collaborating between humans and robots in four different navigation tasks. In the first application, we investigate how automated services for giving wayfinding directions can be improved to better address the needs of the human recipients. We propose a novel method based on inverse reinforcement learning that learns from a corpus of human-written route descriptions what amount and type of information a route description should contain. By imitating the human teachers' description style, our algorithm produces new route descriptions that sound similarly natural and convey similar information content, as we show in a user study. In the second application, we investigate how robots can leverage background information provided by humans for exploring an unknown environment more efficiently. We propose an algorithm for exploiting user-provided information such as sketches or floor plans by combining a global exploration strategy based on the solution of a traveling salesman problem with a local nearest-frontier-first exploration scheme. Our experiments show that the exploration tours are significantly shorter and that our system allows the user to effectively select the areas that the robot should explore. In the second part of this thesis, we focus on humanoid robots in home and office environments. The human-like body plan allows humanoid robots to navigate in environments and operate tools that were designed for humans, making humanoid robots suitable for a wide range of applications. As localization and mapping are prerequisites for all navigation tasks, we first introduce a novel feature descriptor for RGB-D sensor data and integrate this building block into an appearance-based simultaneous localization and mapping system that we adapt and optimize for the usage on humanoid robots. Our optimized system is able to track a real Nao humanoid robot more accurately and more robustly than existing approaches. As the third application, we investigate how humanoid robots can cover known environments efficiently with their camera, for example for inspection or search tasks. We extend an existing next-best-view approach by integrating inverse reachability maps, allowing us to efficiently sample and check collision-free full-body poses. Our approach enables the robot to inspect as much of the environment as possible. In our fourth application, we extend the coverage scenario to environments that also include articulated objects that the robot has to actively manipulate to uncover obstructed regions. We introduce algorithms for navigation subtasks that run highly parallelized on graphics processing units for embedded devices. Together with a novel heuristic for estimating utility maps, our system allows to find high-utility camera poses for efficiently covering environments with articulated objects. All techniques presented in this thesis were implemented in software and thoroughly evaluated in user studies, simulations, and experiments in both artificial and real-world environments. Our approaches advance the state of the art towards universally usable robots in everyday environments.Roboternavigation in menschlichen Umgebungen In naher Zukunft erwarten wir Serviceroboter, die uns im Haushalt, im Büro und in der Stadt alltägliche Arbeiten abnehmen. Diese Roboter müssen in für Menschen gebauten Umgebungen zurechtkommen und sie müssen mit Menschen zusammenarbeiten um ihre Aufgaben zu erledigen. In dieser Arbeit schlagen wir neue Methoden für die Kommunikation, Wissenstransfer und Zusammenarbeit zwischen Menschen und Robotern bei Navigationsaufgaben in vier Anwendungen vor. In der ersten Anwendung untersuchen wir, wie automatisierte Dienste zur Generierung von Wegbeschreibungen verbessert werden können, um die Beschreibungen besser an die Bedürfnisse der Empfänger anzupassen. Wir schlagen eine neue Methode vor, die inverses bestärkendes Lernen nutzt, um aus einem Korpus von von Menschen geschriebenen Wegbeschreibungen zu lernen, wie viel und welche Art von Information eine Wegbeschreibung enthalten sollte. Indem unser Algorithmus den Stil der Wegbeschreibungen der menschlichen Lehrer imitiert, kann der Algorithmus neue Wegbeschreibungen erzeugen, die sich ähnlich natürlich anhören und einen ähnlichen Informationsgehalt vermitteln, was wir in einer Benutzerstudie zeigen. In der zweiten Anwendung untersuchen wir, wie Roboter von Menschen bereitgestellte Hintergrundinformationen nutzen können, um eine bisher unbekannte Umgebung schneller zu erkunden. Wir schlagen einen Algorithmus vor, der Hintergrundinformationen wie Gebäudegrundrisse oder Skizzen nutzt, indem er eine globale Explorationsstrategie basierend auf der Lösung eines Problems des Handlungsreisenden kombiniert mit einer lokalen Explorationsstrategie. Unsere Experimente zeigen, dass die Erkundungstouren signifikant kürzer werden und dass der Benutzer mit unserem System effektiv die zu erkundenden Regionen spezifizieren kann. Der zweite Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf humanoide Roboter in Umgebungen zu Hause und im Büro. Der menschenähnliche Körperbau ermöglicht es humanoiden Robotern, in Umgebungen zu navigieren und Werkzeuge zu benutzen, die für Menschen gebaut wurden, wodurch humanoide Roboter für vielfältige Aufgaben einsetzbar sind. Da Lokalisierung und Kartierung Grundvoraussetzungen für alle Navigationsaufgaben sind, führen wir zunächst einen neuen Merkmalsdeskriptor für RGB-D-Sensordaten ein und integrieren diesen Baustein in ein erscheinungsbasiertes simultanes Lokalisierungs- und Kartierungsverfahren, das wir an die Besonderheiten von humanoiden Robotern anpassen und optimieren. Unser System kann die Position eines realen humanoiden Roboters genauer und robuster verfolgen, als es mit existierenden Ansätzen möglich ist. Als dritte Anwendung untersuchen wir, wie humanoide Roboter bekannte Umgebungen effizient mit ihrer Kamera abdecken können, beispielsweise zu Inspektionszwecken oder zum Suchen eines Gegenstands. Wir erweitern ein bestehendes Verfahren, das die nächstbeste Beobachtungsposition berechnet, durch inverse Erreichbarkeitskarten, wodurch wir kollisionsfreie Ganzkörperposen effizient generieren und prüfen können. Unser Ansatz ermöglicht es dem Roboter, so viel wie möglich von der Umgebung zu untersuchen. In unserer vierten Anwendung erweitern wir dieses Szenario um Umgebungen, die auch bewegbare Gegenstände enthalten, die der Roboter aktiv bewegen muss um verdeckte Regionen zu sehen. Wir führen Algorithmen für Teilprobleme ein, die hoch parallelisiert auf Grafikkarten von eingebetteten Systemen ausgeführt werden. Zusammen mit einer neuen Heuristik zur Schätzung von Nutzenkarten ermöglicht dies unserem System Beobachtungspunkte mit hohem Nutzen zu finden, um Umgebungen mit bewegbaren Objekten effizient zu inspizieren. Alle vorgestellten Techniken wurden in Software implementiert und sorgfältig evaluiert in Benutzerstudien, Simulationen und Experimenten in künstlichen und realen Umgebungen. Unsere Verfahren bringen den Stand der Forschung voran in Richtung universell einsetzbarer Roboter in alltäglichen Umgebungen

Socially Aware Motion Planning with Deep Reinforcement Learning

For robotic vehicles to navigate safely and efficiently in pedestrian-rich environments, it is important to model subtle human behaviors and navigation rules (e.g., passing on the right). However, while instinctive to humans, socially compliant navigation is still difficult to quantify due to the stochasticity in people's behaviors. Existing works are mostly focused on using feature-matching techniques to describe and imitate human paths, but often do not generalize well since the feature values can vary from person to person, and even run to run. This work notes that while it is challenging to directly specify the details of what to do (precise mechanisms of human navigation), it is straightforward to specify what not to do (violations of social norms). Specifically, using deep reinforcement learning, this work develops a time-efficient navigation policy that respects common social norms. The proposed method is shown to enable fully autonomous navigation of a robotic vehicle moving at human walking speed in an environment with many pedestrians.Comment: 8 page

Multiple Waypoint Navigation in Unknown Indoor Environments

Indoor motion planning focuses on solving the problem of navigating an agent through a cluttered environment. To date, quite a lot of work has been done in this field, but these methods often fail to find the optimal balance between computationally inexpensive online path planning, and optimality of the path. Along with this, these works often prove optimality for single-start single-goal worlds. To address these challenges, we present a multiple waypoint path planner and controller stack for navigation in unknown indoor environments where waypoints include the goal along with the intermediary points that the robot must traverse before reaching the goal. Our approach makes use of a global planner (to find the next best waypoint at any instant), a local planner (to plan the path to a specific waypoint), and an adaptive Model Predictive Control strategy (for robust system control and faster maneuvers). We evaluate our algorithm on a set of randomly generated obstacle maps, intermediate waypoints, and start-goal pairs, with results indicating a significant reduction in computational costs, with high accuracies and robust control.Comment: Accepted at ICCR 202