Técnicas de coste reducido para el posicionamiento del paciente en radioterapia percutánea utilizando un sistema de imágenes ópticas

Patient positioning is an important part of radiation therapy which is one of the main solutions for the treatment of malignant tissue in the human body. Currently, the most common patient positioning methods expose healthy tissue of the patient's body to extra dangerous radiations. Other non-invasive positioning methods are either not very accurate or are very costly for an average hospital. In this thesis, we explore the possibility of developing a system comprised of affordable hardware and advanced computer vision algorithms that facilitates patient positioning. Our algorithms are based on the usage of affordable RGB-D sensors, image features, ArUco planar markers, and other geometry registration methods. Furthermore, we take advantage of consumer-level computing hardware to make our systems widely accessible. More specifically, we avoid the usage of approaches that need to take advantage of dedicated GPU hardware for general-purpose computing since they are more costly. In different publications, we explore the usage of the mentioned tools to increase the accuracy of reconstruction/localization of the patient in its pose. We also take into account the visualization of the patient's target position with respect to their current position in order to assist the person who performs patient positioning. Furthermore, we make usage of augmented reality in conjunction with a real-time 3D tracking algorithm for better interaction between the program and the operator. We also solve more fundamental problems about ArUco markers that could be used in the future to improve our systems. These include highquality multi-camera calibration and mapping using ArUco markers plus detection of these markers in event cameras which are very useful in the presence of fast camera movement. In the end, we conclude that it is possible to increase the accuracy of 3D reconstruction and localization by combining current computer vision algorithms with fiducial planar markers with RGB-D sensors. This is reflected in the low amount of error we have achieved in our experiments for patient positioning, pushing forward the state of the art for this application.En el tratamiento de tumores malignos en el cuerpo, el posicionamiento del paciente en las sesiones de radioterapia es una cuestión crucial. Actualmente, los métodos más comunes de posicionamiento del paciente exponen tejido sano del mismo a radiaciones peligrosas debido a que no es posible asegurar que la posición del paciente siempre sea la misma que la que tuvo cuando se planificó la zona a radiar. Los métodos que se usan actualmente, o no son precisos o tienen costes que los hacen inasequibles para ser usados en hospitales con financiación limitada. En esta Tesis hemos analizado la posibilidad de desarrollar un sistema compuesto por hardware de bajo coste y métodos avanzados de visión por ordenador que ayuden a que el posicionamiento del paciente sea el mismo en las diferentes sesiones de radioterapia, con respecto a su pose cuando fue se planificó la zona a radiar. La solución propuesta como resultado de la Tesis se basa en el uso de sensores RGB-D, características extraídas de la imagen, marcadores cuadrados denominados ArUco y métodos de registro de la geometría en la imagen. Además, en la solución propuesta, se aprovecha la existencia de hardware convencional de bajo coste para hacer nuestro sistema ampliamente accesible. Más específicamente, evitamos el uso de enfoques que necesitan aprovechar GPU, de mayores costes, para computación de propósito general. Se han obtenido diferentes publicaciones para conseguir el objetivo final. Las mismas describen métodos para aumentar la precisión de la reconstrucción y la localización del paciente en su pose, teniendo en cuenta la visualización de la posición ideal del paciente con respecto a su posición actual, para ayudar al profesional que realiza la colocación del paciente. También se han propuesto métodos de realidad aumentada junto con algoritmos para seguimiento 3D en tiempo real para conseguir una mejor interacción entre el sistema ideado y el profesional que debe realizar esa labor. De forma añadida, también se han propuesto soluciones para problemas fundamentales relacionados con el uso de marcadores cuadrados que han sido utilizados para conseguir el objetivo de la Tesis. Las soluciones propuestas pueden ser empleadas en el futuro para mejorar otros sistemas. Los problemas citados incluyen la calibración y el mapeo multicámara de alta calidad utilizando los marcadores y la detección de estos marcadores en cámaras de eventos, que son muy útiles en presencia de movimientos rápidos de la cámara. Al final, concluimos que es posible aumentar la precisión de la reconstrucción y localización en 3D combinando los actuales algoritmos de visión por ordenador, que usan marcadores cuadrados de referencia, con sensores RGB-D. Los resultados obtenidos con respecto al error que el sistema obtiene al reproducir el posicionamiento del paciente suponen un importante avance en el estado del arte de este tópico

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

Multi-Sensor Methods for Mobile Radar Motion Capture and Compensation.

Ph.D. Thesis. University of Hawaiʻi at Mānoa 2017

Cartographie dense basée sur une représentation compacte RGB-D dédiée à la navigation autonome

Our aim is concentrated around building ego-centric topometric maps represented as a graph of keyframe nodes which can be efficiently used by autonomous agents. The keyframe nodes which combines a spherical image and a depth map (augmented visual sphere) synthesises information collected in a local area of space by an embedded acquisition system. The representation of the global environment consists of a collection of augmented visual spheres that provide the necessary coverage of an operational area. A "pose" graph that links these spheres together in six degrees of freedom, also defines the domain potentially exploitable for navigation tasks in real time. As part of this research, an approach to map-based representation has been proposed by considering the following issues : how to robustly apply visual odometry by making the most of both photometric and ; geometric information available from our augmented spherical database ; how to determine the quantity and optimal placement of these augmented spheres to cover an environment completely ; how tomodel sensor uncertainties and update the dense infomation of the augmented spheres ; how to compactly represent the information contained in the augmented sphere to ensure robustness, accuracy and stability along an explored trajectory by making use of saliency maps.Dans ce travail, nous proposons une représentation efficace de l’environnement adaptée à la problématique de la navigation autonome. Cette représentation topométrique est constituée d’un graphe de sphères de vision augmentées d’informations de profondeur. Localement la sphère de vision augmentée constitue une représentation égocentrée complète de l’environnement proche. Le graphe de sphères permet de couvrir un environnement de grande taille et d’en assurer la représentation. Les "poses" à 6 degrés de liberté calculées entre sphères sont facilement exploitables par des tâches de navigation en temps réel. Dans cette thèse, les problématiques suivantes ont été considérées : Comment intégrer des informations géométriques et photométriques dans une approche d’odométrie visuelle robuste ; comment déterminer le nombre et le placement des sphères augmentées pour représenter un environnement de façon complète ; comment modéliser les incertitudes pour fusionner les observations dans le but d’augmenter la précision de la représentation ; comment utiliser des cartes de saillances pour augmenter la précision et la stabilité du processus d’odométrie visuelle

User-oriented markerless augmented reality framework based on 3D reconstruction and loop closure detection

An augmented reality (AR) system needs to track the user-view to perform an accurate augmentation registration. The present research proposes a conceptual marker-less, natural feature-based AR framework system, the process for which is divided into two stages - an offline database training session for the application developers, and an online AR tracking and display session for the final users. In the offline session, two types of 3D reconstruction application, RGBD-SLAM and SfM are integrated into the development framework for building the reference template of a target environment. The performance and applicable conditions of these two methods are presented in the present thesis, and the application developers can choose which method to apply for their developmental demands. A general developmental user interface is provided to the developer for interaction, including a simple GUI tool for augmentation configuration. The present proposal also applies a Bag of Words strategy to enable a rapid "loop-closure detection" in the online session, for efficiently querying the application user-view from the trained database to locate the user pose. The rendering and display process of augmentation is currently implemented within an OpenGL window, which is one result of the research that is worthy of future detailed investigation and development

Recent Developments in Smart Healthcare

Medicine is undergoing a sector-wide transformation thanks to the advances in computing and networking technologies. Healthcare is changing from reactive and hospital-centered to preventive and personalized, from disease focused to well-being centered. In essence, the healthcare systems, as well as fundamental medicine research, are becoming smarter. We anticipate significant improvements in areas ranging from molecular genomics and proteomics to decision support for healthcare professionals through big data analytics, to support behavior changes through technology-enabled self-management, and social and motivational support. Furthermore, with smart technologies, healthcare delivery could also be made more efficient, higher quality, and lower cost. In this special issue, we received a total 45 submissions and accepted 19 outstanding papers that roughly span across several interesting topics on smart healthcare, including public health, health information technology (Health IT), and smart medicine

Gaze and Peripheral Vision Analysis for Human-Environment Interaction: Applications in Automotive and Mixed-Reality Scenarios

This thesis studies eye-based user interfaces which integrate information about the user’s perceptual focus-of-attention into multimodal systems to enrich the interaction with the surrounding environment. We examine two new modalities: gaze input and output in the peripheral field of view. All modalities are considered in the whole spectrum of the mixed-reality continuum. We show the added value of these new forms of multimodal interaction in two important application domains: Automotive User Interfaces and Human-Robot Collaboration. We present experiments that analyze gaze under various conditions and help to design a 3D model for peripheral vision. Furthermore, this work presents several new algorithms for eye-based interaction, like deictic reference in mobile scenarios, for non-intrusive user identification, or exploiting the peripheral field view for advanced multimodal presentations. These algorithms have been integrated into a number of software tools for eye-based interaction, which are used to implement 15 use cases for intelligent environment applications. These use cases cover a wide spectrum of applications, from spatial interactions with a rapidly changing environment from within a moving vehicle, to mixed-reality interaction between teams of human and robots.In dieser Arbeit werden blickbasierte Benutzerschnittstellen untersucht, die Infor- mationen ¨uber das Blickfeld des Benutzers in multimodale Systeme integrieren, um neuartige Interaktionen mit der Umgebung zu erm¨oglichen. Wir untersuchen zwei neue Modalit¨aten: Blickeingabe und Ausgaben im peripheren Sichtfeld. Alle Modalit¨aten werden im gesamten Spektrum des Mixed-Reality-Kontinuums betra- chtet. Wir zeigen die Anwendung dieser neuen Formen der multimodalen Interak- tion in zwei wichtigen Dom¨anen auf: Fahrerassistenzsysteme und Werkerassistenz bei Mensch-Roboter-Kollaboration. Wir pr¨asentieren Experimente, die blickbasierte Benutzereingaben unter verschiedenen Bedingungen analysieren und helfen, ein 3D- Modell f¨ur das periphere Sehen zu entwerfen. Dar¨uber hinaus stellt diese Arbeit mehrere neue Algorithmen f¨ur die blickbasierte Interaktion vor, wie die deiktis- che Referenz in mobilen Szenarien, die nicht-intrusive Benutzeridentifikation, oder die Nutzung des peripheren Sichtfeldes f¨ur neuartige multimodale Pr¨asentationen. Diese Algorithmen sind in eine Reihe von Software-Werkzeuge integriert, mit de- nen 15 Anwendungsf¨alle f¨ur intelligente Umgebungen implementiert wurden. Diese Demonstratoren decken ein breites Anwendungsspektrum ab: von der r¨aumlichen In- teraktionen aus einem fahrenden Auto heraus bis hin zu Mixed-Reality-Interaktionen zwischen Mensch-Roboter-Teams

On-board Obstacle Avoidance in the Teleoperation of Unmanned Aerial Vehicles

Teleoperation von Drohnen in Umgebungen ohne GPS-Verbindung und wenig Bewegungsspielraum stellt den Operator vor besondere Herausforderungen. Hindernisse in einer unbekannten Umgebung erfordern eine zuverlässige Zustandsschätzung und Algorithmen zur Vermeidung von Kollisionen. In dieser Dissertation präsentieren wir ein System zur kollisionsfreien Navigation einer ferngesteuerten Drohne mit vier Propellern (Quadcopter) in abgeschlossenen Räumen. Die Plattform ist mit einem Miniaturcomputer und dem Minimum an Sensoren ausgestattet. Diese Ausstattung genügt den Anforderungen an die Rechenleistung. Dieses Setup ermöglicht des Weiteren eine hochgenaue Zustandsschätzung mit Hilfe einer Kaskaden-Architektur, sehr gutes Folgeverhalten bezüglich der kommandierten Geschwindigkeit, sowie eine kollisionsfreie Navigation. Ein Komplementärfilter berechnet die Höhe der Drohne, während ein Kalman-Filter Beschleunigung durch eine IMU und Messungen eines Optical-Flow Sensors fusioniert und in die Softwarearchitektur integriert. Eine RGB-D Kamera stellt dem Operator ein visuelles Feedback, sowie Distanzmessungen zur Verfügung, um ein Roboter-zentriertes Modell umliegender Hindernisse mit Hilfe eines Bin-Occupancy-Filters zu erstellen. Der Algorithmus speichert die Position dieser Hindernisse, auch wenn sie das Sehfeld des Sensors verlassen, mit Hilfe des geschätzten Zustandes des Roboters. Das Prinzip des Ausweich-Algorithmus basiert auf dem Ansatz einer modell-prädiktiven Regelung. Durch Vorhersage der wahrscheinlichen Position eines Hindernisses werden die durch den Operator kommandierten Sollwerte gefiltert, um eine mögliche Kollision mit einem Hindernis zu vermeiden. Die Plattform wurde experimentell sowohl in einer räumlich abgeschlossenen Umgebung mit zahlreichen Hindernissen als auch bei Testflügen in offener Umgebung mit natürlichen Hindernissen wie z.B. Bäume getestet. Fliegende Roboter bergen das Risiko, im Fall eines Fehlers, sei es ein Bedienungs- oder Berechnungsfehler, durch einen Aufprall am Boden oder an Hindernissen Schaden zu nehmen. Aus diesem Grund nimmt die Entwicklung von Algorithmen dieser Roboter ein hohes Maß an Zeit und Ressourcen in Anspruch. In dieser Arbeit präsentieren wir zwei Methoden (Software-in-the-loop- und Hardware-in-the-loop-Simulation) um den Entwicklungsprozess zu vereinfachen. Via Software-in-the-loop-Simulation konnte der Zustandsschätzer mit Hilfe simulierter Sensoren und zuvor aufgenommener Datensätze verbessert werden. Eine Hardware-in-the-loop Simulation ermöglichte uns, den Roboter in Gazebo (ein bekannter frei verfügbarer ROS-Simulator) mit zusätzlicher auf dem Roboter installierter Hardware in Simulation zu bewegen. Ebenso können wir damit die Echtzeitfähigkeit der Algorithmen direkt auf der Hardware validieren und verifizieren. Zu guter Letzt analysierten wir den Einfluss der Roboterbewegung auf das visuelle Feedback des Operators. Obwohl einige Drohnen die Möglichkeit einer mechanischen Stabilisierung der Kamera besitzen, können unsere Drohnen aufgrund von Gewichtsbeschränkungen nicht auf diese Unterstützung zurückgreifen. Eine Fixierung der Kamera verursacht, während der Roboter sich bewegt, oft unstetige Bewegungen des Bildes und beeinträchtigt damit negativ die Manövrierbarkeit des Roboters. Viele wissenschaftliche Arbeiten beschäftigen sich mit der Lösung dieses Problems durch Feature-Tracking. Damit kann die Bewegung der Kamera rekonstruiert und das Videosignal stabilisiert werden. Wir zeigen, dass diese Methode stark vereinfacht werden kann, durch die Verwendung der Roboter-internen IMU. Unsere Ergebnisse belegen, dass unser Algorithmus das Kamerabild erfolgreich stabilisieren und der rechnerische Aufwand deutlich reduziert werden kann. Ebenso präsentieren wir ein neues Design eines Quadcopters, um dessen Ausrichtung von der lateralen Bewegung zu entkoppeln. Unser Konzept erlaubt die Neigung der Propellerblätter unabhängig von der Ausrichtung des Roboters mit Hilfe zweier zusätzlicher Aktuatoren. Nachdem wir das dynamische Modell dieses Systems hergeleitet haben, synthetisierten wir einen auf Feedback-Linearisierung basierten Regler. Simulationen bestätigen unsere Überlegungen und heben die Verbesserung der Manövrierfähigkeit dieses neuartigen Designs hervor.The teleoperation of unmanned aerial vehicles (UAVs), especially in cramped, GPS-restricted, environments, poses many challenges. The presence of obstacles in an unfamiliar environment requires reliable state estimation and active algorithms to prevent collisions. In this dissertation, we present a collision-free indoor navigation system for a teleoperated quadrotor UAV. The platform is equipped with an on-board miniature computer and a minimal set of sensors for this task and is self-sufficient with respect to external tracking systems and computation. The platform is capable of highly accurate state-estimation, tracking of the velocity commanded by the user and collision-free navigation. The robot estimates its state in a cascade architecture. The attitude of the platform is calculated with a complementary filter and its linear velocity through a Kalman filter integration of inertial and optical flow measurements. An RGB-D camera serves the purpose of providing visual feedback to the operator and depth measurements to build a probabilistic, robot-centric obstacle state with a bin-occupancy filter. The algorithm tracks the obstacles when they leave the field of view of the sensor by updating their positions with the estimate of the robot's motion. The avoidance part of our navigation system is based on the Model Predictive Control approach. By predicting the possible future obstacles states, the UAV filters the operator commands by altering them to prevent collisions. Experiments in obstacle-rich indoor and outdoor environments validate the efficiency of the proposed setup. Flying robots are highly prone to damage in cases of control errors, as these most likely will cause them to fall to the ground. Therefore, the development of algorithm for UAVs entails considerable amount of time and resources. In this dissertation we present two simulation methods, i.e. software- and hardware-in-the-loop simulations, to facilitate this process. The software-in-the-loop testing was used for the development and tuning of the state estimator for our robot using both the simulated sensors and pre-recorded datasets of sensor measurements, e.g., from real robotic experiments. With hardware-in-the-loop simulations, we are able to command the robot simulated in Gazebo, a popular open source ROS-enabled physical simulator, using computational units that are embedded on our quadrotor UAVs. Hence, we can test in simulation not only the correct execution of algorithms, but also the computational feasibility directly on the robot's hardware. Lastly, we analyze the influence of the robot's motion on the visual feedback provided to the operator. While some UAVs have the capacity to carry mechanically stabilized camera equipment, weight limits or other problems may make mechanical stabilization impractical. With a fixed camera, the video stream is often unsteady due to the multirotor's movement and can impair the operator's situation awareness. There has been significant research on how to stabilize videos using feature tracking to determine camera movement, which in turn is used to manipulate frames and stabilize the camera stream. However, we believe that this process could be greatly simplified by using data from a UAV’s on-board inertial measurement unit to stabilize the camera feed. Our results show that our algorithm successfully stabilizes the camera stream with the added benefit of requiring less computational power. We also propose a novel quadrotor design concept to decouple its orientation from the lateral motion of the quadrotor. In our design the tilt angles of the propellers with respect to the quadrotor body are being simultaneously controlled with two additional actuators by employing the parallelogram principle. After deriving the dynamic model of this design, we propose a controller for this platform based on feedback linearization. Simulation results confirm our theoretical findings, highlighting the improved motion capabilities of this novel design with respect to standard quadrotors

Geometric, Semantic, and System-Level Scene Understanding for Improved Construction and Operation of the Built Environment

Recent advances in robotics and enabling fields such as computer vision, deep learning, and low-latency data passing offer significant potential for developing efficient and low-cost solutions for improved construction and operation of the built environment. Examples of such potential solutions include the introduction of automation in environment monitoring, infrastructure inspections, asset management, and building performance analyses. In an effort to advance the fundamental computational building blocks for such applications, this dissertation explored three categories of scene understanding capabilities: 1) Localization and mapping for geometric scene understanding that enables a mobile agent (e.g., robot) to locate itself in an environment, map the geometry of the environment, and navigate through it; 2) Object recognition for semantic scene understanding that allows for automatic asset information extraction for asset tracking and resource management; 3) Distributed coupling analysis for system-level scene understanding that allows for discovery of interdependencies between different built-environment processes for system-level performance analyses and response-planning. First, this dissertation advanced Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) techniques for convenient and low-cost locating capabilities compared with previous work. To provide a versatile Real-Time Location System (RTLS), an occupancy grid mapping enhanced visual SLAM (vSLAM) was developed to support path planning and continuous navigation that cannot be implemented directly on vSLAM’s original feature map. The system’s localization accuracy was experimentally evaluated with a set of visual landmarks. The achieved marker position measurement accuracy ranges from 0.039m to 0.186m, proving the method’s feasibility and applicability in providing real-time localization for a wide range of applications. In addition, a Self-Adaptive Feature Transform (SAFT) was proposed to improve such an RTLS’s robustness in challenging environments. As an example implementation, the SAFT descriptor was implemented with a learning-based descriptor and integrated into a vSLAM for experimentation. The evaluation results on two public datasets proved the feasibility and effectiveness of SAFT in improving the matching performance of learning-based descriptors for locating applications. Second, this dissertation explored vision-based 1D barcode marker extraction for automated object recognition and asset tracking that is more convenient and efficient than the traditional methods of using barcode or asset scanners. As an example application in inventory management, a 1D barcode extraction framework was designed to extract 1D barcodes from video scan of a built environment. The performance of the framework was evaluated with video scan data collected from an active logistics warehouse near Detroit Metropolitan Airport (DTW), demonstrating its applicability in automating inventory tracking and management applications. Finally, this dissertation explored distributed coupling analysis for understanding interdependencies between processes affecting the built environment and its occupants, allowing for accurate performance and response analyses compared with previous research. In this research, a Lightweight Communications and Marshalling (LCM)-based distributed coupling analysis framework and a message wrapper were designed. This proposed framework and message wrapper were tested with analysis models from wind engineering and structural engineering, where they demonstrated the abilities to link analysis models from different domains and reveal key interdependencies between the involved built-environment processes.PHDCivil EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttps://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/155042/1/lichaox_1.pd