507 research outputs found

    Visual road following using intrinsic images

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    We present a real-time visual-based road following method for mobile robots in outdoor environments. The approach combines an image processing method, that allows to retrieve illumination invariant images, with an efficient path following algorithm. The method allows a mobile robot to autonomously navigate along pathways of different types in adverse lighting conditions using monocular vision

    Milestones in Autonomous Driving and Intelligent Vehicles Part II: Perception and Planning

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    Growing interest in autonomous driving (AD) and intelligent vehicles (IVs) is fueled by their promise for enhanced safety, efficiency, and economic benefits. While previous surveys have captured progress in this field, a comprehensive and forward-looking summary is needed. Our work fills this gap through three distinct articles. The first part, a "Survey of Surveys" (SoS), outlines the history, surveys, ethics, and future directions of AD and IV technologies. The second part, "Milestones in Autonomous Driving and Intelligent Vehicles Part I: Control, Computing System Design, Communication, HD Map, Testing, and Human Behaviors" delves into the development of control, computing system, communication, HD map, testing, and human behaviors in IVs. This part, the third part, reviews perception and planning in the context of IVs. Aiming to provide a comprehensive overview of the latest advancements in AD and IVs, this work caters to both newcomers and seasoned researchers. By integrating the SoS and Part I, we offer unique insights and strive to serve as a bridge between past achievements and future possibilities in this dynamic field.Comment: 17pages, 6figures. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics: System

    Monocular slam for deformable scenarios.

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    El problema de localizar la posición de un sensor en un mapa incierto que se estima simultáneamente se conoce como Localización y Mapeo Simultáneo --SLAM--. Es un problema desafiante comparable al paradigma del huevo y la gallina. Para ubicar el sensor necesitamos conocer el mapa, pero para construir el mapa, necesitamos la posición del sensor. Cuando se utiliza un sensor visual, por ejemplo, una cámara, se denomina Visual SLAM o VSLAM. Los sensores visuales para SLAM se dividen entre los que proporcionan información de profundidad (por ejemplo, cámaras RGB-D o equipos estéreo) y los que no (por ejemplo, cámaras monoculares o cámaras de eventos). En esta tesis hemos centrado nuestra investigación en SLAM con cámaras monoculares.Debido a la falta de percepción de profundidad, el SLAM monocular es intrínsecamente más duro en comparación con el SLAM con sensores de profundidad. Los trabajos estado del arte en VSLAM monocular han asumido normalmente que la escena permanece rígida durante toda la secuencia, lo que es una suposición factible para entornos industriales y urbanos. El supuesto de rigidez aporta las restricciones suficientes al problema y permite reconstruir un mapa fiable tras procesar varias imágenes. En los últimos años, el interés por el SLAM ha llegado a las áreas médicas donde los algoritmos SLAM podrían ayudar a orientar al cirujano o localizar la posición de un robot. Sin embargo, a diferencia de los escenarios industriales o urbanos, en secuencias dentro del cuerpo, todo puede deformarse eventualmente y la suposición de rigidez acaba siendo inválida en la práctica, y por extensión, también los algoritmos de SLAM monoculares. Por lo tanto, nuestro objetivo es ampliar los límites de los algoritmos de SLAM y concebir el primer sistema SLAM monocular capaz de hacer frente a la deformación de la escena.Los sistemas de SLAM actuales calculan la posición de la cámara y la estructura del mapa en dos subprocesos concurrentes: la localización y el mapeo. La localización se encarga de procesar cada imagen para ubicar el sensor de forma continua, en cambio el mapeo se encarga de construir el mapa de la escena. Nosotros hemos adoptado esta estructura y concebimos tanto la localización deformable como el mapeo deformable ahora capaces de recuperar la escena incluso con deformación.Nuestra primera contribución es la localización deformable. La localización deformable utiliza la estructura del mapa para recuperar la pose de la cámara con una única imagen. Simultáneamente, a medida que el mapa se deforma durante la secuencia, también recupera la deformación del mapa para cada fotograma. Hemos propuesto dos familias de localización deformable. En el primer algoritmo de localización deformable, asumimos que todos los puntos están embebidos en una superficie denominada plantilla. Podemos recuperar la deformación de la superficie gracias a un modelo de deformación global que permite estimar la deformación más probable del objeto. Con nuestro segundo algoritmo de localización deformable, demostramos que es posible recuperar la deformación del mapa sin un modelo de deformación global, representando el mapa como surfels individuales. Nuestros resultados experimentales mostraron que, recuperando la deformación del mapa, ambos métodos superan tanto en robustez como en precisión a los métodos rígidos.Nuestra segunda contribución es la concepción del mapeo deformable. Es el back-end del algoritmo SLAM y procesa un lote de imágenes para recuperar la estructura del mapa para todas las imágenes y hacer crecer el mapa ensamblando las observaciones parciales del mismo. Tanto la localización deformable como el mapeo que se ejecutan en paralelo y juntos ensamblan el primer SLAM monocular deformable: \emph{DefSLAM}. Una evaluación ampliada de nuestro método demostró, tanto en secuencias controladas por laboratorio como en secuencias médicas, que nuestro método procesa con éxito secuencias en las que falla el sistema monocular SLAM actual.Nuestra tercera contribución son dos métodos para explotar la información fotométrica en SLAM monocular deformable. Por un lado, SD-DefSLAM que aprovecha el emparejamiento semi-directo para obtener un emparejamiento mucho más fiable de los puntos del mapa en las nuevas imágenes, como consecuencia, se demostró que es más robusto y estable en secuencias médicas. Por otro lado, proponemos un método de Localización Deformable Directa y Dispersa en el que usamos un error fotométrico directo para rastrear la deformación de un mapa modelado como un conjunto de surfels 3D desconectados. Podemos recuperar la deformación de múltiples superficies desconectadas, deformaciones no isométricas o superficies con una topología cambiante.<br /

    Robust convex optimisation techniques for autonomous vehicle vision-based navigation

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    This thesis investigates new convex optimisation techniques for motion and pose estimation. Numerous computer vision problems can be formulated as optimisation problems. These optimisation problems are generally solved via linear techniques using the singular value decomposition or iterative methods under an L2 norm minimisation. Linear techniques have the advantage of offering a closed-form solution that is simple to implement. The quantity being minimised is, however, not geometrically or statistically meaningful. Conversely, L2 algorithms rely on iterative estimation, where a cost function is minimised using algorithms such as Levenberg-Marquardt, Gauss-Newton, gradient descent or conjugate gradient. The cost functions involved are geometrically interpretable and can statistically be optimal under an assumption of Gaussian noise. However, in addition to their sensitivity to initial conditions, these algorithms are often slow and bear a high probability of getting trapped in a local minimum or producing infeasible solutions, even for small noise levels. In light of the above, in this thesis we focus on developing new techniques for finding solutions via a convex optimisation framework that are globally optimal. Presently convex optimisation techniques in motion estimation have revealed enormous advantages. Indeed, convex optimisation ensures getting a global minimum, and the cost function is geometrically meaningful. Moreover, robust optimisation is a recent approach for optimisation under uncertain data. In recent years the need to cope with uncertain data has become especially acute, particularly where real-world applications are concerned. In such circumstances, robust optimisation aims to recover an optimal solution whose feasibility must be guaranteed for any realisation of the uncertain data. Although many researchers avoid uncertainty due to the added complexity in constructing a robust optimisation model and to lack of knowledge as to the nature of these uncertainties, and especially their propagation, in this thesis robust convex optimisation, while estimating the uncertainties at every step is investigated for the motion estimation problem. First, a solution using convex optimisation coupled to the recursive least squares (RLS) algorithm and the robust H filter is developed for motion estimation. In another solution, uncertainties and their propagation are incorporated in a robust L convex optimisation framework for monocular visual motion estimation. In this solution, robust least squares is combined with a second order cone program (SOCP). A technique to improve the accuracy and the robustness of the fundamental matrix is also investigated in this thesis. This technique uses the covariance intersection approach to fuse feature location uncertainties, which leads to more consistent motion estimates. Loop-closure detection is crucial in improving the robustness of navigation algorithms. In practice, after long navigation in an unknown environment, detecting that a vehicle is in a location it has previously visited gives the opportunity to increase the accuracy and consistency of the estimate. In this context, we have developed an efficient appearance-based method for visual loop-closure detection based on the combination of a Gaussian mixture model with the KD-tree data structure. Deploying this technique for loop-closure detection, a robust L convex posegraph optimisation solution for unmanned aerial vehicle (UAVs) monocular motion estimation is introduced as well. In the literature, most proposed solutions formulate the pose-graph optimisation as a least-squares problem by minimising a cost function using iterative methods. In this work, robust convex optimisation under the L norm is adopted, which efficiently corrects the UAV’s pose after loop-closure detection. To round out the work in this thesis, a system for cooperative monocular visual motion estimation with multiple aerial vehicles is proposed. The cooperative motion estimation employs state-of-the-art approaches for optimisation, individual motion estimation and registration. Three-view geometry algorithms in a convex optimisation framework are deployed on board the monocular vision system for each vehicle. In addition, vehicle-to-vehicle relative pose estimation is performed with a novel robust registration solution in a global optimisation framework. In parallel, and as a complementary solution for the relative pose, a robust non-linear H solution is designed as well to fuse measurements from the UAVs’ on-board inertial sensors with the visual estimates. The suggested contributions have been exhaustively evaluated over a number of real-image data experiments in the laboratory using monocular vision systems and range imaging devices. In this thesis, we propose several solutions towards the goal of robust visual motion estimation using convex optimisation. We show that the convex optimisation framework may be extended to include uncertainty information, to achieve robust and optimal solutions. We observed that convex optimisation is a practical and very appealing alternative to linear techniques and iterative methods
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