Least squares optimization: From theory to practice

Nowadays, Nonlinear Least-Squares embodies the foundation of many Robotics and Computer Vision systems. The research community deeply investigated this topic in the last few years, and this resulted in the development of several open-source solvers to approach constantly increasing classes of problems. In this work, we propose a unified methodology to design and develop efficient Least-Squares Optimization algorithms, focusing on the structures and patterns of each specific domain. Furthermore, we present a novel open-source optimization system that addresses problems transparently with a different structure and designed to be easy to extend. The system is written in modern C++ and runs efficiently on embedded systemsWe validated our approach by conducting comparative experiments on several problems using standard datasets. The results show that our system achieves state-of-the-art performances in all tested scenarios

Robust navigation for industrial service robots

Pla de Doctorats Industrials de la Generalitat de CatalunyaRobust, reliable and safe navigation is one of the fundamental problems of robotics. Throughout the present thesis, we tackle the problem of navigation for robotic industrial mobile-bases. We identify its components and analyze their respective challenges in order to address them. The research work presented here ultimately aims at improving the overall quality of the navigation stack of a commercially available industrial mobile-base. To introduce and survey the overall problem we first break down the navigation framework into clearly identified smaller problems. We examine the Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) problem, recalling its mathematical grounding and exploring the state of the art. We then review the problem of planning the trajectory of a mobile-base toward a desired goal in the generated environment representation. Finally we investigate and clarify the use of the subset of the Lie theory that is useful in robotics. The first problem tackled is the recognition of place for closing loops in SLAM. Loop closure refers to the ability of a robot to recognize a previously visited location and infer geometrical information between its current and past locations. Using only a 2D laser range finder sensor, we address the problem using a technique borrowed from the field of Natural Language Processing (NLP) which has been successfully applied to image-based place recognition, namely the Bag-of-Words. We further improve the method with two proposals inspired from NLP. Firstly, the comparison of places is strengthened by considering the natural relative order of features in each individual sensor reading. Secondly, topological correspondences between places in a corpus of visited places are established in order to promote together instances that are ‘close’ to one another. We then tackle the problem of motion model calibration for odometry estimation. Given a mobile-base embedding an exteroceptive sensor able to observe ego-motion, we propose a novel formulation for estimating the intrinsic parameters of an odometry motion model. Resorting to an adaptation of the pre-integration theory initially developed for inertial motion sensors, we employ iterative nonlinear on-manifold optimization to estimate the wheel radii and wheel separation. The method is further extended to jointly estimate both the intrinsic parameters of the odometry model together with the extrinsic parameters of the embedded sensor. The method is shown to accommodate to variation in model parameters quickly when the vehicle is subject to physical changes during operation. Following the generation of a map in which the robot is localized, we address the problem of estimating trajectories for motion planning. We devise a new method for estimating a sequence of robot poses forming a smooth trajectory. Regardless of the Lie group considered, the trajectory is seen as a collection of states lying on a spline with non-vanishing n-th derivatives at each point. Formulated as a multi-objective nonlinear optimization problem, it allows for the addition of cost functions such as velocity and acceleration limits, collision avoidance and more. The proposed method is evaluated for two different motion planning tasks, the planning of trajectories for a mobile-base evolving in the SE(2) manifold, and the planning of the motion of a multi-link robotic arm whose end-effector evolves in the SE(3) manifold. From our study of Lie theory, we developed a new, ready to use, programming library called `manif’. The library is open source, publicly available and is developed following good software programming practices. It is designed so that it is easy to integrate and manipulate, and allows for flexible use while facilitating the possibility to extend it beyond the already implemented Lie groups.La navegación autónoma es uno de los problemas fundamentales de la robótica, y sus diferentes desafíos se han estudiado durante décadas. El desarrollo de métodos de navegación robusta, confiable y segura es un factor clave para la creación de funcionalidades de nivel superior en robots diseñados para operar en entornos con humanos. A lo largo de la presente tesis, abordamos el problema de navegación para bases robóticas móviles industriales; identificamos los elementos de un sistema de navegación; y analizamos y tratamos sus desafíos. El trabajo de investigación presentado aquí tiene como último objetivo mejorar la calidad general del sistema completo de navegación de una base móvil industrial disponible comercialmente. Para estudiar el problema de navegación, primero lo desglosamos en problemas menores claramente identificados. Examinamos el subproblema de mapeo del entorno y localización del robot simultáneamente (SLAM por sus siglas en ingles) y estudiamos el estado del arte del mismo. Al hacerlo, recordamos y detallamos la base matemática del problema de SLAM. Luego revisamos el subproblema de planificación de trayectorias hacia una meta deseada en la representación del entorno generada. Además, como una herramienta para las soluciones que se presentarán más adelante en el desarrollo de la tesis, investigamos y aclaramos el uso de teoría de Lie, centrándonos en el subconjunto de la teoría que es útil para la estimación de estados en robótica. Como primer elemento identificado para mejoras, abordamos el problema de reconocimiento de lugares para cerrar lazos en SLAM. El cierre de lazos se refiere a la capacidad de un robot para reconocer una ubicación visitada previamente e inferí información geométrica entre la ubicación actual del robot y aquellas reconocidas. Usando solo un sensor láser 2D, la tarea es desafiante ya que la percepción del entorno que proporciona el sensor es escasa y limitada. Abordamos el problema utilizando 'bolsas de palabras', una técnica prestada del campo de procesamiento del lenguaje natural (NLP) que se ha aplicado con éxito anteriormente al reconocimiento de lugares basado en imágenes. Nuestro método incluye dos nuevas propuestas inspiradas también en NLP. Primero, la comparación entre lugares candidatos se fortalece teniendo en cuenta el orden relativo natural de las características en cada lectura individual del sensor; y segundo, se establece un corpus de lugares visitados para promover juntos instancias que están "cerca" la una de la otra desde un punto de vista topológico. Evaluamos nuestras propuestas por separado y conjuntamente en varios conjuntos de datos, con y sin ruido, demostrando mejora en la detección de cierres de lazo para sensores láser 2D, con respecto al estado del arte. Luego abordamos el problema de la calibración del modelo de movimiento para la estimación de la edometría. Dado que nuestra base móvil incluye un sensor exteroceptivo capaz de observar el movimiento de la plataforma, proponemos una nueva formulación que permite estimar los parámetros intrínsecos del modelo cinemático de la plataforma durante el cómputo de la edometría del vehículo. Hemos recurrido a una adaptación de la teoría de reintegración inicialmente desarrollado para unidades inerciales de medida, y aplicado la técnica a nuestro modelo cinemático. El método nos permite, mediante optimización iterativa no lineal, la estimación del valor del radio de las ruedas de forma independiente y de la separación entre las mismas. El método se amplía posteriormente par idéntica de forma simultánea, estos parámetros intrínsecos junto con los parámetros extrínsecos que ubican el sensor láser con respecto al sistema de referencia de la base móvil. El método se valida en simulación y en un entorno real y se muestra que converge hacia los verdaderos valores de los parámetros. El método permite la adaptación de los parámetros intrínsecos del modelo cinemático de la plataforma derivados de cambios físicos durante la operación, tales como el impacto que el cambio de carga sobre la plataforma tiene sobre el diámetro de las ruedas. Como tercer subproblema de navegación, abordamos el reto de planificar trayectorias de movimiento de forma suave. Desarrollamos un método para planificar la trayectoria como una secuencia de configuraciones sobre una spline con n-ésimas derivadas en todos los puntos, independientemente del grupo de Lie considerado. Al ser formulado como un problema de optimización no lineal con múltiples objetivos, es posible agregar funciones de coste al problema de optimización que permitan añadir límites de velocidad o aceleración, evasión de colisiones, etc. El método propuesto es evaluado en dos tareas de planificación de movimiento diferentes, la planificación de trayectorias para una base móvil que evoluciona en la variedad SE(2), y la planificación del movimiento de un brazo robótico cuyo efector final evoluciona en la variedad SE(3). Además, cada tarea se evalúa en escenarios con complejidad de forma incremental, y se muestra un rendimiento comparable o mejor que el estado del arte mientras produce resultados más consistentes. Desde nuestro estudio de la teoría de Lie, desarrollamos una nueva biblioteca de programación llamada “manif”. La biblioteca es de código abierto, está disponible públicamente y se desarrolla siguiendo las buenas prácticas de programación de software. Esta diseñado para que sea fácil de integrar y manipular, y permite flexibilidad de uso mientras se facilita la posibilidad de extenderla más allá de los grupos de Lie inicialmente implementados. Además, la biblioteca se muestra eficiente en comparación con otras soluciones existentes. Por fin, llegamos a la conclusión del estudio de doctorado. Examinamos el trabajo de investigación y trazamos líneas para futuras investigaciones. También echamos un vistazo en los últimos años y compartimos una visión personal y experiencia del desarrollo de un doctorado industrial.Postprint (published version

Automatic Reconstruction of Textured 3D Models

Three dimensional modeling and visualization of environments is an increasingly important problem. This work addresses the problem of automatic 3D reconstruction and we present a system for unsupervised reconstruction of textured 3D models in the context of modeling indoor environments. We present solutions to all aspects of the modeling process and an integrated system for the automatic creation of large scale 3D models

MAVIS: Multi-Camera Augmented Visual-Inertial SLAM using SE2(3) Based Exact IMU Pre-integration

We present a novel optimization-based Visual-Inertial SLAM system designed for multiple partially overlapped camera systems, named MAVIS. Our framework fully exploits the benefits of wide field-of-view from multi-camera systems, and the metric scale measurements provided by an inertial measurement unit (IMU). We introduce an improved IMU pre-integration formulation based on the exponential function of an automorphism of SE_2(3), which can effectively enhance tracking performance under fast rotational motion and extended integration time. Furthermore, we extend conventional front-end tracking and back-end optimization module designed for monocular or stereo setup towards multi-camera systems, and introduce implementation details that contribute to the performance of our system in challenging scenarios. The practical validity of our approach is supported by our experiments on public datasets. Our MAVIS won the first place in all the vision-IMU tracks (single and multi-session SLAM) on Hilti SLAM Challenge 2023 with 1.7 times the score compared to the second place.Comment: video link: https://youtu.be/Q_jZSjhNFf

A Large Scale Inertial Aided Visual Simultaneous Localization And Mapping (SLAM) System For Small Mobile Platforms

In this dissertation we present a robust simultaneous mapping and localization scheme that can be deployed on a computationally limited, small unmanned aerial system. This is achieved by developing a key frame based algorithm that leverages the multiprocessing capacity of modern low power mobile processors. The novelty of the algorithm lies in the design to make it robust against rapid exploration while keeping the computational time to a minimum. A novel algorithm is developed where the time critical components of the localization and mapping system are computed in parallel utilizing the multiple cores of the processor. The algorithm uses a scale and rotation invariant state of the art binary descriptor for landmark description making it suitable for compact large scale map representation and robust tracking. This descriptor is also used in loop closure detection making the algorithm efficient by eliminating any need for separate descriptors in a Bag of Words scheme. Effectiveness of the algorithm is demonstrated by performance evaluation in indoor and large scale outdoor dataset. We demonstrate the efficiency and robustness of the algorithm by successful six degree of freedom (6 DOF) pose estimation in challenging indoor and outdoor environment. Performance of the algorithm is validated on a quadcopter with onboard computation

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)

Towards new sensing capabilities for legged locomotion using real-time state estimation with low-cost IMUs

L'estimation en robotique est un sujet important affecté par les compromis entre certains critères majeurs parmi lesquels nous pouvons citer le temps de calcul et la précision. L'importance de ces deux critères dépend de l'application. Si le temps de calcul n'est pas important pour les méthodes hors ligne, il devient critique lorsque l'application doit s'exécuter en temps réel. De même, les exigences de précision dépendent des applications. Les estimateurs EKF sont largement utilisés pour satisfaire les contraintes en temps réel tout en obtenant une estimation avec des précisions acceptables. Les centrales inertielles (Inertial Measurement Unit - IMU) demeurent des capteurs répandus dnas les problèmes d'estimation de trajectoire. Ces capteurs ont par ailleurs la particularité de fournir des données à une fréquence élevée. La principale contribution de cette thèses est une présentation claire de la méthode de préintégration donnant lieu à une meilleure utilisation des centrales inertielles. Nous appliquons cette méthode aux problèmes d'estimation dans les cas de la navigation piétonne et celle des robots humanoïdes. Nous souhaitons par ailleurs montrer que l'estimation en temps réel à l'aide d'une centrale inertielle à faible coût est possible avec des méthodes d'optimisation tout en formulant les problèmes à l'aide d'un modèle graphique bien que ces méthodes soient réputées pour leurs coûts élevés en terme de calculs. Nous étudions également la calibration des centrales inertielles, une étape qui demeure critique pour leurs utilisations. Les travaux réalisés au cours de cette thèse ont été pensés en gardant comme perspective à moyen terme le SLAM visuel-inertiel. De plus, ce travail aborde une autre question concernant les robots à jambes. Contrairement à leur architecture habituelle, pourrions-nous utiliser plusieurs centrales inertielles à faible coût sur le robot pour obtenir des informations précieuses sur le mouvement en cours d'exécution ?Estimation in robotics is an important subject affected by trade-offs between some major critera from which we can cite the computation time and the accuracy. The importance of these two criteria are application-dependent. If the computation time is not important for off-line methods, it becomes critical when the application has to run on real-time. Similarly, accuracy requirements are dependant on the applications. EKF estimators are widely used to satisfy real-time constraints while achieving acceptable accuracies. One sensor widely used in trajectory estimation problems remains the inertial measurement units (IMUs) providing data at a high rate. The main contribution of this thesis is a clear presentation of the preintegration theory yielding in a better use IMUs. We apply this method for estimation problems in both pedestrian and humanoid robots navigation to show that real-time estimation using a low- cost IMU is possible with smoothing methods while formulating the problems with a factor graph. We also investigate the calibration of the IMUs as it is a critical part of those sensors. All the development made during this thesis was thought with a visual-inertial SLAM background as a mid-term perspective. Firthermore, this work tries to rise another question when it comes to legged robots. In opposition to their usual architecture, could we use multiple low- cost IMUs on the robot to get valuable information about the motion being executed