Observability analysis and optimal sensor placement in stereo radar odometry

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OASIS: Optimal Arrangements for Sensing in SLAM

The number and arrangement of sensors on an autonomous mobile robot dramatically influence its perception capabilities. Ensuring that sensors are mounted in a manner that enables accurate detection, localization, and mapping is essential for the success of downstream control tasks. However, when designing a new robotic platform, researchers and practitioners alike usually mimic standard configurations or maximize simple heuristics like field-of-view (FOV) coverage to decide where to place exteroceptive sensors. In this work, we conduct an information-theoretic investigation of this overlooked element of mobile robotic perception in the context of simultaneous localization and mapping (SLAM). We show how to formalize the sensor arrangement problem as a form of subset selection under the E-optimality performance criterion. While this formulation is NP-hard in general, we further show that a combination of greedy sensor selection and fast convex relaxation-based post-hoc verification enables the efficient recovery of certifiably optimal sensor designs in practice. Results from synthetic experiments reveal that sensors placed with OASIS outperform benchmarks in terms of mean squared error of visual SLAM estimates

NeBula: TEAM CoSTAR’s robotic autonomy solution that won phase II of DARPA subterranean challenge

This paper presents and discusses algorithms, hardware, and software architecture developed by the TEAM CoSTAR (Collaborative SubTerranean Autonomous Robots), competing in the DARPA Subterranean Challenge. Specifically, it presents the techniques utilized within the Tunnel (2019) and Urban (2020) competitions, where CoSTAR achieved second and first place, respectively. We also discuss CoSTAR’s demonstrations in Martian-analog surface and subsurface (lava tubes) exploration. The paper introduces our autonomy solution, referred to as NeBula (Networked Belief-aware Perceptual Autonomy). NeBula is an uncertainty-aware framework that aims at enabling resilient and modular autonomy solutions by performing reasoning and decision making in the belief space (space of probability distributions over the robot and world states). We discuss various components of the NeBula framework, including (i) geometric and semantic environment mapping, (ii) a multi-modal positioning system, (iii) traversability analysis and local planning, (iv) global motion planning and exploration behavior, (v) risk-aware mission planning, (vi) networking and decentralized reasoning, and (vii) learning-enabled adaptation. We discuss the performance of NeBula on several robot types (e.g., wheeled, legged, flying), in various environments. We discuss the specific results and lessons learned from fielding this solution in the challenging courses of the DARPA Subterranean Challenge competition.Peer ReviewedAgha, A., Otsu, K., Morrell, B., Fan, D. D., Thakker, R., Santamaria-Navarro, A., Kim, S.-K., Bouman, A., Lei, X., Edlund, J., Ginting, M. F., Ebadi, K., Anderson, M., Pailevanian, T., Terry, E., Wolf, M., Tagliabue, A., Vaquero, T. S., Palieri, M., Tepsuporn, S., Chang, Y., Kalantari, A., Chavez, F., Lopez, B., Funabiki, N., Miles, G., Touma, T., Buscicchio, A., Tordesillas, J., Alatur, N., Nash, J., Walsh, W., Jung, S., Lee, H., Kanellakis, C., Mayo, J., Harper, S., Kaufmann, M., Dixit, A., Correa, G. J., Lee, C., Gao, J., Merewether, G., Maldonado-Contreras, J., Salhotra, G., Da Silva, M. S., Ramtoula, B., Fakoorian, S., Hatteland, A., Kim, T., Bartlett, T., Stephens, A., Kim, L., Bergh, C., Heiden, E., Lew, T., Cauligi, A., Heywood, T., Kramer, A., Leopold, H. A., Melikyan, H., Choi, H. C., Daftry, S., Toupet, O., Wee, I., Thakur, A., Feras, M., Beltrame, G., Nikolakopoulos, G., Shim, D., Carlone, L., & Burdick, JPostprint (published version

NeBula: Team CoSTAR's robotic autonomy solution that won phase II of DARPA Subterranean Challenge

This paper presents and discusses algorithms, hardware, and software architecture developed by the TEAM CoSTAR (Collaborative SubTerranean Autonomous Robots), competing in the DARPA Subterranean Challenge. Specifically, it presents the techniques utilized within the Tunnel (2019) and Urban (2020) competitions, where CoSTAR achieved second and first place, respectively. We also discuss CoSTAR¿s demonstrations in Martian-analog surface and subsurface (lava tubes) exploration. The paper introduces our autonomy solution, referred to as NeBula (Networked Belief-aware Perceptual Autonomy). NeBula is an uncertainty-aware framework that aims at enabling resilient and modular autonomy solutions by performing reasoning and decision making in the belief space (space of probability distributions over the robot and world states). We discuss various components of the NeBula framework, including (i) geometric and semantic environment mapping, (ii) a multi-modal positioning system, (iii) traversability analysis and local planning, (iv) global motion planning and exploration behavior, (v) risk-aware mission planning, (vi) networking and decentralized reasoning, and (vii) learning-enabled adaptation. We discuss the performance of NeBula on several robot types (e.g., wheeled, legged, flying), in various environments. We discuss the specific results and lessons learned from fielding this solution in the challenging courses of the DARPA Subterranean Challenge competition.The work is partially supported by the Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, under a contract with the National Aeronautics and Space Administration (80NM0018D0004), and Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA)

Self-Calibration of Multi-Camera Systems for Vehicle Surround Sensing

Multikamerasysteme werden heute bereits in einer Vielzahl von Fahrzeugen und mobilen Robotern eingesetzt. Die Anwendungen reichen dabei von einfachen Assistenzfunktionen wie der Erzeugung einer virtuellen Rundumsicht bis hin zur Umfelderfassung, wie sie für teil- und vollautomatisches Fahren benötigt wird. Damit aus den Kamerabildern metrische Größen wie Distanzen und Winkel abgeleitet werden können und ein konsistentes Umfeldmodell aufgebaut werden kann, muss das Abbildungsverhalten der einzelnen Kameras sowie deren relative Lage zueinander bekannt sein. Insbesondere die Bestimmung der relativen Lage der Kameras zueinander, die durch die extrinsische Kalibrierung beschrieben wird, ist aufwendig, da sie nur im Gesamtverbund erfolgen kann. Darüber hinaus ist zu erwarten, dass es über die Lebensdauer des Fahrzeugs hinweg zu nicht vernachlässigbaren Veränderungen durch äußere Einflüsse kommt. Um den hohen Zeit- und Kostenaufwand einer regelmäßigen Wartung zu vermeiden, ist ein Selbstkalibrierungsverfahren erforderlich, das die extrinsischen Kalibrierparameter fortlaufend nachschätzt. Für die Selbstkalibrierung wird typischerweise das Vorhandensein überlappender Sichtbereiche ausgenutzt, um die extrinsische Kalibrierung auf der Basis von Bildkorrespondenzen zu schätzen. Falls die Sichtbereiche mehrerer Kameras jedoch nicht überlappen, lassen sich die Kalibrierparameter auch aus den relativen Bewegungen ableiten, die die einzelnen Kameras beobachten. Die Bewegung typischer Straßenfahrzeuge lässt dabei jedoch nicht die Bestimmung aller Kalibrierparameter zu. Um die vollständige Schätzung der Parameter zu ermöglichen, lassen sich weitere Bedingungsgleichungen, die sich z.B. aus der Beobachtung der Bodenebene ergeben, einbinden. In dieser Arbeit wird dazu in einer theoretischen Analyse gezeigt, welche Parameter sich aus der Kombination verschiedener Bedingungsgleichungen eindeutig bestimmen lassen. Um das Umfeld eines Fahrzeugs vollständig erfassen zu können, werden typischerweise Objektive, wie zum Beispiel Fischaugenobjektive, eingesetzt, die einen sehr großen Bildwinkel ermöglichen. In dieser Arbeit wird ein Verfahren zur Bestimmung von Bildkorrespondenzen vorgeschlagen, das die geometrischen Verzerrungen, die sich durch die Verwendung von Fischaugenobjektiven und sich stark ändernden Ansichten ergeben, berücksichtigt. Darauf aufbauend stellen wir ein robustes Verfahren zur Nachführung der Parameter der Bodenebene vor. Basierend auf der theoretischen Analyse der Beobachtbarkeit und den vorgestellten Verfahren stellen wir ein robustes, rekursives Kalibrierverfahren vor, das auf einem erweiterten Kalman-Filter aufbaut. Das vorgestellte Kalibrierverfahren zeichnet sich insbesondere durch die geringe Anzahl von internen Parametern, sowie durch die hohe Flexibilität hinsichtlich der einbezogenen Bedingungsgleichungen aus und basiert einzig auf den Bilddaten des Multikamerasystems. In einer umfangreichen experimentellen Auswertung mit realen Daten vergleichen wir die Ergebnisse der auf unterschiedlichen Bedingungsgleichungen und Bewegungsmodellen basierenden Verfahren mit den aus einer Referenzkalibrierung bestimmten Parametern. Die besten Ergebnisse wurden dabei durch die Kombination aller vorgestellten Bedingungsgleichungen erzielt. Anhand mehrerer Beispiele zeigen wir, dass die erreichte Genauigkeit ausreichend für eine Vielzahl von Anwendungen ist

Traffic Scene Perception for Automated Driving with Top-View Grid Maps

Ein automatisiertes Fahrzeug muss sichere, sinnvolle und schnelle Entscheidungen auf Basis seiner Umgebung treffen. Dies benötigt ein genaues und recheneffizientes Modell der Verkehrsumgebung. Mit diesem Umfeldmodell sollen Messungen verschiedener Sensoren fusioniert, gefiltert und nachfolgenden Teilsysteme als kompakte, aber aussagekräftige Information bereitgestellt werden. Diese Arbeit befasst sich mit der Modellierung der Verkehrsszene auf Basis von Top-View Grid Maps. Im Vergleich zu anderen Umfeldmodellen ermöglichen sie eine frühe Fusion von Distanzmessungen aus verschiedenen Quellen mit geringem Rechenaufwand sowie eine explizite Modellierung von Freiraum. Nach der Vorstellung eines Verfahrens zur Bodenoberflächenschätzung, das die Grundlage der Top-View Modellierung darstellt, werden Methoden zur Belegungs- und Elevationskartierung für Grid Maps auf Basis von mehreren, verrauschten, teilweise widersprüchlichen oder fehlenden Distanzmessungen behandelt. Auf der resultierenden, sensorunabhängigen Repräsentation werden anschließend Modelle zur Detektion von Verkehrsteilnehmern sowie zur Schätzung von Szenenfluss, Odometrie und Tracking-Merkmalen untersucht. Untersuchungen auf öffentlich verfügbaren Datensätzen und einem Realfahrzeug zeigen, dass Top-View Grid Maps durch on-board LiDAR Sensorik geschätzt und verlässlich sicherheitskritische Umgebungsinformationen wie Beobachtbarkeit und Befahrbarkeit abgeleitet werden können. Schließlich werden Verkehrsteilnehmer als orientierte Bounding Boxen mit semantischen Klassen, Geschwindigkeiten und Tracking-Merkmalen aus einem gemeinsamen Modell zur Objektdetektion und Flussschätzung auf Basis der Top-View Grid Maps bestimmt

Reliable localization methods for intelligent vehicles based on environment perception

Mención Internacional en el título de doctorIn the near past, we would see autonomous vehicles and Intelligent Transport Systems (ITS) as a potential future of transportation. Today, thanks to all the technological advances in recent years, the feasibility of such systems is no longer a question. Some of these autonomous driving technologies are already sharing our roads, and even commercial vehicles are including more Advanced Driver-Assistance Systems (ADAS) over the years. As a result, transportation is becoming more efficient and the roads are considerably safer. One of the fundamental pillars of an autonomous system is self-localization. An accurate and reliable estimation of the vehicle’s pose in the world is essential to navigation. Within the context of outdoor vehicles, the Global Navigation Satellite System (GNSS) is the predominant localization system. However, these systems are far from perfect, and their performance is degraded in environments with limited satellite visibility. Additionally, their dependence on the environment can make them unreliable if it were to change. Accordingly, the goal of this thesis is to exploit the perception of the environment to enhance localization systems in intelligent vehicles, with special attention to their reliability. To this end, this thesis presents several contributions: First, a study on exploiting 3D semantic information in LiDAR odometry is presented, providing interesting insights regarding the contribution to the odometry output of each type of element in the scene. The experimental results have been obtained using a public dataset and validated on a real-world platform. Second, a method to estimate the localization error using landmark detections is proposed, which is later on exploited by a landmark placement optimization algorithm. This method, which has been validated in a simulation environment, is able to determine a set of landmarks so the localization error never exceeds a predefined limit. Finally, a cooperative localization algorithm based on a Genetic Particle Filter is proposed to utilize vehicle detections in order to enhance the estimation provided by GNSS systems. Multiple experiments are carried out in different simulation environments to validate the proposed method.En un pasado no muy lejano, los vehículos autónomos y los Sistemas Inteligentes del Transporte (ITS) se veían como un futuro para el transporte con gran potencial. Hoy, gracias a todos los avances tecnológicos de los últimos años, la viabilidad de estos sistemas ha dejado de ser una incógnita. Algunas de estas tecnologías de conducción autónoma ya están compartiendo nuestras carreteras, e incluso los vehículos comerciales cada vez incluyen más Sistemas Avanzados de Asistencia a la Conducción (ADAS) con el paso de los años. Como resultado, el transporte es cada vez más eficiente y las carreteras son considerablemente más seguras. Uno de los pilares fundamentales de un sistema autónomo es la autolocalización. Una estimación precisa y fiable de la posición del vehículo en el mundo es esencial para la navegación. En el contexto de los vehículos circulando en exteriores, el Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS) es el sistema de localización predominante. Sin embargo, estos sistemas están lejos de ser perfectos, y su rendimiento se degrada en entornos donde la visibilidad de los satélites es limitada. Además, los cambios en el entorno pueden provocar cambios en la estimación, lo que los hace poco fiables en ciertas situaciones. Por ello, el objetivo de esta tesis es utilizar la percepción del entorno para mejorar los sistemas de localización en vehículos inteligentes, con una especial atención a la fiabilidad de estos sistemas. Para ello, esta tesis presenta varias aportaciones: En primer lugar, se presenta un estudio sobre cómo aprovechar la información semántica 3D en la odometría LiDAR, generando una base de conocimiento sobre la contribución de cada tipo de elemento del entorno a la salida de la odometría. Los resultados experimentales se han obtenido utilizando una base de datos pública y se han validado en una plataforma de conducción del mundo real. En segundo lugar, se propone un método para estimar el error de localización utilizando detecciones de puntos de referencia, que posteriormente es explotado por un algoritmo de optimización de posicionamiento de puntos de referencia. Este método, que ha sido validado en un entorno de simulación, es capaz de determinar un conjunto de puntos de referencia para el cual el error de localización nunca supere un límite previamente fijado. Por último, se propone un algoritmo de localización cooperativa basado en un Filtro Genético de Partículas para utilizar las detecciones de vehículos con el fin de mejorar la estimación proporcionada por los sistemas GNSS. El método propuesto ha sido validado mediante múltiples experimentos en diferentes entornos de simulación.Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de MadridSecretario: Joshué Manuel Pérez Rastelli.- Secretario: Jorge Villagrá Serrano.- Vocal: Enrique David Martí Muño

Artificial Intelligence Applications for Drones Navigation in GPS-denied or degraded Environments

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