Vision-Based navigation system for unmanned aerial vehicles

Mención Internacional en el título de doctorThe main objective of this dissertation is to provide Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) with a robust navigation system; in order to allow the UAVs to perform complex tasks autonomously and in real-time. The proposed algorithms deal with solving the navigation problem for outdoor as well as indoor environments, mainly based on visual information that is captured by monocular cameras. In addition, this dissertation presents the advantages of using the visual sensors as the main source of data, or complementing other sensors in providing useful information; in order to improve the accuracy and the robustness of the sensing purposes. The dissertation mainly covers several research topics based on computer vision techniques: (I) Pose Estimation, to provide a solution for estimating the 6D pose of the UAV. This algorithm is based on the combination of SIFT detector and FREAK descriptor; which maintains the performance of the feature points matching and decreases the computational time. Thereafter, the pose estimation problem is solved based on the decomposition of the world-to-frame and frame-to-frame homographies. (II) Obstacle Detection and Collision Avoidance, in which, the UAV is able to sense and detect the frontal obstacles that are situated in its path. The detection algorithm mimics the human behaviors for detecting the approaching obstacles; by analyzing the size changes of the detected feature points, combined with the expansion ratios of the convex hull constructed around the detected feature points from consecutive frames. Then, by comparing the area ratio of the obstacle and the position of the UAV, the method decides if the detected obstacle may cause a collision. Finally, the algorithm extracts the collision-free zones around the obstacle, and combining with the tracked waypoints, the UAV performs the avoidance maneuver. (III) Navigation Guidance, which generates the waypoints to determine the flight path based on environment and the situated obstacles. Then provide a strategy to follow the path segments and in an efficient way and perform the flight maneuver smoothly. (IV) Visual Servoing, to offer different control solutions (Fuzzy Logic Control (FLC) and PID), based on the obtained visual information; in order to achieve the flight stability as well as to perform the correct maneuver; to avoid the possible collisions and track the waypoints. All the proposed algorithms have been verified with real flights in both indoor and outdoor environments, taking into consideration the visual conditions; such as illumination and textures. The obtained results have been validated against other systems; such as VICON motion capture system, DGPS in the case of pose estimate algorithm. In addition, the proposed algorithms have been compared with several previous works in the state of the art, and are results proves the improvement in the accuracy and the robustness of the proposed algorithms. Finally, this dissertation concludes that the visual sensors have the advantages of lightweight and low consumption and provide reliable information, which is considered as a powerful tool in the navigation systems to increase the autonomy of the UAVs for real-world applications.El objetivo principal de esta tesis es proporcionar Vehiculos Aereos no Tripulados (UAVs) con un sistema de navegacion robusto, para permitir a los UAVs realizar tareas complejas de forma autonoma y en tiempo real. Los algoritmos propuestos tratan de resolver problemas de la navegacion tanto en ambientes interiores como al aire libre basandose principalmente en la informacion visual captada por las camaras monoculares. Ademas, esta tesis doctoral presenta la ventaja de usar sensores visuales bien como fuente principal de datos o complementando a otros sensores en el suministro de informacion util, con el fin de mejorar la precision y la robustez de los procesos de deteccion. La tesis cubre, principalmente, varios temas de investigacion basados en tecnicas de vision por computador: (I) Estimacion de la Posicion y la Orientacion (Pose), para proporcionar una solucion a la estimacion de la posicion y orientacion en 6D del UAV. Este algoritmo se basa en la combinacion del detector SIFT y el descriptor FREAK, que mantiene el desempeno del a funcion de puntos de coincidencia y disminuye el tiempo computacional. De esta manera, se soluciona el problema de la estimacion de la posicion basandose en la descomposicion de las homografias mundo a imagen e imagen a imagen. (II) Deteccion obstaculos y elusion colisiones, donde el UAV es capaz de percibir y detectar los obstaculos frontales que se encuentran en su camino. El algoritmo de deteccion imita comportamientos humanos para detectar los obstaculos que se acercan, mediante el analisis de la magnitud del cambio de los puntos caracteristicos detectados de referencia, combinado con los ratios de expansion de los contornos convexos construidos alrededor de los puntos caracteristicos detectados en frames consecutivos. A continuacion, comparando la proporcion del area del obstaculo y la posicion del UAV, el metodo decide si el obstaculo detectado puede provocar una colision. Por ultimo, el algoritmo extrae las zonas libres de colision alrededor del obstaculo y combinandolo con los puntos de referencia, elUAV realiza la maniobra de evasion. (III) Guiado de navegacion, que genera los puntos de referencia para determinar la trayectoria de vuelo basada en el entorno y en los obstaculos detectados que encuentra. Proporciona una estrategia para seguir los segmentos del trazado de una manera eficiente y realizar la maniobra de vuelo con suavidad. (IV) Guiado por Vision, para ofrecer soluciones de control diferentes (Control de Logica Fuzzy (FLC) y PID), basados en la informacion visual obtenida con el fin de lograr la estabilidad de vuelo, asi como realizar la maniobra correcta para evitar posibles colisiones y seguir los puntos de referencia. Todos los algoritmos propuestos han sido verificados con vuelos reales en ambientes exteriores e interiores, tomando en consideracion condiciones visuales como la iluminacion y las texturas. Los resultados obtenidos han sido validados con otros sistemas: como el sistema de captura de movimiento VICON y DGPS en el caso del algoritmo de estimacion de la posicion y orientacion. Ademas, los algoritmos propuestos han sido comparados con trabajos anteriores recogidos en el estado del arte con resultados que demuestran una mejora de la precision y la robustez de los algoritmos propuestos. Esta tesis doctoral concluye que los sensores visuales tienen las ventajes de tener un peso ligero y un bajo consumo y, proporcionar informacion fiable, lo cual lo hace una poderosa herramienta en los sistemas de navegacion para aumentar la autonomia de los UAVs en aplicaciones del mundo real.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y AutomáticaPresidente: Carlo Regazzoni.- Secretario: Fernando García Fernández.- Vocal: Pascual Campoy Cerver

Event-Based Visual-Inertial Odometry Using Smart Features

Event-based cameras are a novel type of visual sensor that operate under a unique paradigm, providing asynchronous data on the log-level changes in light intensity for individual pixels. This hardware-level approach to change detection allows these cameras to achieve ultra-wide dynamic range and high temporal resolution. Furthermore, the advent of convolutional neural networks (CNNs) has led to state-of-the-art navigation solutions that now rival or even surpass human engineered algorithms. The advantages offered by event cameras and CNNs make them excellent tools for visual odometry (VO). This document presents the implementation of a CNN trained to detect and describe features within an image as well as the implementation of an event-based visual-inertial odometry (EVIO) pipeline, which estimates a vehicle\u27s 6-degrees-offreedom (DOF) pose using an affixed event-based camera with an integrated inertial measurement unit (IMU). The front-end of this pipeline utilizes a neural network for generating image frames from asynchronous event camera data. These frames are fed into a multi-state constraint Kalman filter (MSCKF) back-end that uses the output of the developed CNN to perform measurement updates. The EVIO pipeline was tested on a selection from the Event-Camera Dataset [1], and on a dataset collected from a fixed-wing unmanned aerial vehicle (UAV) flight test conducted by the Autonomy and Navigation Technology (ANT) Center

Topological place recognition for life-long visual localization

Premio Extraordinario de Doctorado de la UAH en el año académico 2016-2017La navegación de vehículos inteligentes o robots móviles en períodos largos de tiempo ha experimentado un gran interés por parte de la comunidad investigadora en los últimos años. Los sistemas basados en cámaras se han extendido ampliamente en el pasado reciente gracias a las mejoras en sus características, precio y reducción de tamaño, añadidos a los progresos en técnicas de visión artificial. Por ello, la localización basada en visión es una aspecto clave para desarrollar una navegación autónoma robusta en situaciones a largo plazo. Teniendo en cuenta esto, la identificación de localizaciones por medio de técnicas de reconocimiento de lugar topológicas puede ser complementaria a otros enfoques como son las soluciones basadas en el Global Positioning System (GPS), o incluso suplementaria cuando la señal GPS no está disponible.El estado del arte en reconocimiento de lugar topológico ha mostrado un funcionamiento satisfactorio en el corto plazo. Sin embargo, la localización visual a largo plazo es problemática debido a los grandes cambios de apariencia que un lugar sufre como consecuencia de elementos dinámicos, la iluminación o la climatología, entre otros. El objetivo de esta tesis es enfrentarse a las dificultades de llevar a cabo una localización topológica eficiente y robusta a lo largo del tiempo. En consecuencia, se van a contribuir dos nuevos enfoques basados en reconocimiento visual de lugar para resolver los diferentes problemas asociados a una localización visual a largo plazo. Por un lado, un método de reconocimiento de lugar visual basado en descriptores binarios es propuesto. La innovación de este enfoque reside en la descripción global de secuencias de imágenes como códigos binarios, que son extraídos mediante un descriptor basado en la técnica denominada Local Difference Binary (LDB). Los descriptores son eficientemente asociados usando la distancia de Hamming y un método de búsqueda conocido como Approximate Nearest Neighbors (ANN). Además, una técnica de iluminación invariante es aplicada para mejorar el funcionamiento en condiciones luminosas cambiantes. El empleo de la descripción binaria previamente introducida proporciona una reducción de los costes computacionales y de memoria.Por otro lado, también se presenta un método de reconocimiento de lugar visual basado en deep learning, en el cual los descriptores aplicados son procesados por una Convolutional Neural Network (CNN). Este es un concepto recientemente popularizado en visión artificial que ha obtenido resultados impresionantes en problemas de clasificación de imagen. La novedad de nuestro enfoque reside en la fusión de la información de imagen de múltiples capas convolucionales a varios niveles y granularidades. Además, los datos redundantes de los descriptores basados en CNNs son comprimidos en un número reducido de bits para una localización más eficiente. El descriptor final es condensado aplicando técnicas de compresión y binarización para realizar una asociación usando de nuevo la distancia de Hamming. En términos generales, los métodos centrados en CNNs mejoran la precisión generando representaciones visuales de las localizaciones más detalladas, pero son más costosos en términos de computación.Ambos enfoques de reconocimiento de lugar visual son extensamente evaluados sobre varios datasets públicos. Estas pruebas arrojan una precisión satisfactoria en situaciones a largo plazo, como es corroborado por los resultados mostrados, que comparan nuestros métodos contra los principales algoritmos del estado del arte, mostrando mejores resultados para todos los casos.Además, también se ha analizado la aplicabilidad de nuestro reconocimiento de lugar topológico en diferentes problemas de localización. Estas aplicaciones incluyen la detección de cierres de lazo basada en los lugares reconocidos o la corrección de la deriva acumulada en odometría visual usando la información proporcionada por los cierres de lazo. Asimismo, también se consideran las aplicaciones de la detección de cambios geométricos a lo largo de las estaciones del año, que son esenciales para las actualizaciones de los mapas en sistemas de conducción autónomos centrados en una operación a largo plazo. Todas estas contribuciones son discutidas al final de la tesis, incluyendo varias conclusiones sobre el trabajo presentado y líneas de investigación futuras

Visual control of multi-rotor UAVs

Recent miniaturization of computer hardware, MEMs sensors, and high energy density batteries have enabled highly capable mobile robots to become available at low cost. This has driven the rapid expansion of interest in multi-rotor unmanned aerial vehicles. Another area which has expanded simultaneously is small powerful computers, in the form of smartphones, which nearly always have a camera attached, many of which now contain a OpenCL compatible graphics processing units. By combining the results of those two developments a low-cost multi-rotor UAV can be produced with a low-power onboard computer capable of real-time computer vision. The system should also use general purpose computer vision software to facilitate a variety of experiments. To demonstrate this I have built a quadrotor UAV based on control hardware from the Pixhawk project, and paired it with an ARM based single board computer, similar those in high-end smartphones. The quadrotor weights 980 g and has a flight time of 10 minutes. The onboard computer capable of running a pose estimation algorithm above the 10 Hz requirement for stable visual control of a quadrotor. A feature tracking algorithm was developed for efficient pose estimation, which relaxed the requirement for outlier rejection during matching. Compared with a RANSAC- only algorithm the pose estimates were less variable with a Z-axis standard deviation 0.2 cm compared with 2.4 cm for RANSAC. Processing time per frame was also faster with tracking, with 95 % confidence that tracking would process the frame within 50 ms, while for RANSAC the 95 % confidence time was 73 ms. The onboard computer ran the algorithm with a total system load of less than 25 %. All computer vision software uses the OpenCV library for common computer vision algorithms, fulfilling the requirement for running general purpose software. The tracking algorithm was used to demonstrate the capability of the system by per- forming visual servoing of the quadrotor (after manual takeoff). Response to external perturbations was poor however, requiring manual intervention to avoid crashing. This was due to poor visual controller tuning, and to variations in image acquisition and attitude estimate timing due to using free running image acquisition. The system, and the tracking algorithm, serve as proof of concept that visual control of a quadrotor is possible using small low-power computers and general purpose computer vision software

UAV vision system: Application in electric line following and 3D reconstruction of associated terrain

Abstract. In this work, a set of vision techniques applied to a UAV (Unmanned Aerial Vehicle) images is presented. The techniques are used to detect electrical lines and towers which are used in vision based navigation and for 3D associated terrain reconstruction. The developed work aims to be a previous stage for autonomous electrical infrastructure inspection. This work is divided in four stages: power line detection, transmission tower detection, UAV navigation and 3D reconstruction of associated terrain. In the first stage, a study of algorithms for line detection was performed. After that, an algorithm for line detection called CBS (Circle Based Search) which presented good results with azimuthal images was developed. This method offers a shorter response time in comparison with the Hough transform and the LSD (Line Segment Detector) algorithm, and a similar response to EDLines which is one of the fastest and most trustful algorithms for line detection. Given that most of the works related with line detection are focused in straight lines, an algorithm for catenary detection based on a concatenation process was developed. This algorithm was validated using real power line inspection images with catenaries. Additionally, in this work a tower detection method based on a feature descriptor with the capacity of detecting towers in times close to 100 ms was developed. Navigation over power lines by using UAVs requires a lot of tests because of the risk of failures and accidents. For this reason, a virtual environment for real time UAV simulation of visual navigation was developed by using ROS (Robot Operative System), which is open source. An onboard visual navigation system for UAV was also developed. This system allows the UAV to navigate following a power line in real sceneries by using the developed techniques. In the last part a 3D tower reconstruction that uses images obtained with UAVs is presented.}, keywordenglish = {line detection, inspection, navigation, tower detection, onboard vision system, UAV.Este trabajo presenta un conjunto de técnicas de visión aplicadas a imágenes adquiridas mediante UAVs (vehículos aéreos no tripulados). Las técnicas se usan para la detección de líneas y torres eléctricas las cuales son usadas en un proceso de navegación basada en vision y para la reconstrucción de terreno asociado en 3D. El proyecto está planteado como una fase previa a un proceso de inspección de infraestructura electrica. El trabajo se encuentra dividido en cuatro partes: la detección de líneas de transmisión eléctrica, la detección de torres de transmisión, la navegación de UAVs y la reconstrucción tridimensional de objetos tales como torres de transmisión. En primer lugar se realizó un estudio de los algoritmos para la detección de líneas en imágenes. Posteriormente se desarrolló un algoritmo para la detección de líneas llamado CBS (Búsqueda basada en círculos), el cual tiene buenos resultados en imágenes azimutales de líneas eléctricas. Este método ofrece un tiempo de respuesta más corto que la transformada de Houg o el algoritmo LSD (line segment detector), y un tiempo similar a EDLines el cual es uno de los algoritmos más rápidos y confiables para detectar líneas. Debido a que la mayoría de trabajos relacionados con detección de líneas se enfocan en líneas rectas, se desarrolló un algoritmo para detectar catenarias que cuenta con un proceso de concatenación de segmentos, esta técnica fue validada con imágenes de catenarias obtenidas en inspecciones reales de infraestructura eléctrica. Adicionalmente se desarrolló un algoritmo basado en descriptores de características para la detección de torres de transmisión con la intención de facilitar los procesos de navegación e inspección. El proceso desarrollado ha permitido detectar torres en videos en tiempos cercanos a 100 ms. La navegación sobre líneas eléctricas mediante UAVs requiere una gran cantidad de pruebas debido al riesgo de fallos y accidentes, por esto se realizó un ambiente virtual para la simulación en tiempo real de técnicas de navegación basadas en características visuales haciendo uso del entorno de ROS (Robot Operative System), el cual es de código abierto. Se desarrollo un sistema de navegación a bordo de un UAV el cual permitio obtener resultados de navegación autónoma en el seguimiento de líneas en escenarios reales usando las técnicas desarrolladas. En la parte final del trabajo se realizó una reconstrucción 3D de torres electricas haciendo uso de imagenes adquiridas con UAVs.Doctorad

Vision-based Deformation Measurement for Pile-soil Testing

Image measurement technology has been widely used in monitoring the deformation of the soil field around the pile with its advantages of no damage, no contact, full-field measurement, no added quality and high sensitivity. But there are few researches on image-based bearing deformation measurement of the pile. Through an indoor pile-soil semi-model test, the rigid body displacement and load-bearing deformation of a new type of prefabricated steel tube pile foundation under horizontal load was measured based on image features. In this study, the concept of optical extensometer is first applied to the measurement of local average strain of a non-uniform deformed structure. Based on an improved feature point tracking algorithm SURF-BRISK, non-contact measurement of tiny strain of pile body is realized. In addition, based on DIC technology, this study also obtained the progressive development of displacement field of soil around pile. The above work fully reflects the non-contact convenience and full-field richness of the optical measurement method compared with the traditional measurement method

Stereo visual simultaneous localisation and mapping for an outdoor wheeled robot: a front-end study

For many mobile robotic systems, navigating an environment is a crucial step in autonomy and Visual Simultaneous Localisation and Mapping (vSLAM) has seen increased effective usage in this capacity. However, vSLAM is strongly dependent on the context in which it is applied, often using heuristic and special cases to provide efficiency and robustness. It is thus crucial to identify the important parameters and factors regarding a particular context as this heavily influences the necessary algorithms, processes, and hardware required for the best results. In this body of work, a generic front-end stereo vSLAM pipeline is tested in the context of a small-scale outdoor wheeled robot that occupies less than 1m3 of volume. The scale of the vehicle constrained the available processing power, Field Of View (FOV), actuation systems, and image distortions present. A dataset was collected with a custom platform that consisted of a Point Grey Bumblebee (Discontinued) stereo camera and Nvidia Jetson TK1 processor. A stereo front-end feature tracking framework was described and evaluated both in simulation and experimentally where appropriate. It was found that scale adversely affected lighting conditions, FOV, baseline, and processing power available, all crucial factors to improve upon. The stereo constraint was effective for robustness criteria, but ineffective in terms of processing power and metric reconstruction. An overall absolute odometer error of 0.25-3m was produced on the dataset but was unable to run in real-time

The Revisiting Problem in Simultaneous Localization and Mapping: A Survey on Visual Loop Closure Detection

Where am I? This is one of the most critical questions that any intelligent system should answer to decide whether it navigates to a previously visited area. This problem has long been acknowledged for its challenging nature in simultaneous localization and mapping (SLAM), wherein the robot needs to correctly associate the incoming sensory data to the database allowing consistent map generation. The significant advances in computer vision achieved over the last 20 years, the increased computational power, and the growing demand for long-term exploration contributed to efficiently performing such a complex task with inexpensive perception sensors. In this article, visual loop closure detection, which formulates a solution based solely on appearance input data, is surveyed. We start by briefly introducing place recognition and SLAM concepts in robotics. Then, we describe a loop closure detection system's structure, covering an extensive collection of topics, including the feature extraction, the environment representation, the decision-making step, and the evaluation process. We conclude by discussing open and new research challenges, particularly concerning the robustness in dynamic environments, the computational complexity, and scalability in long-term operations. The article aims to serve as a tutorial and a position paper for newcomers to visual loop closure detection.Comment: 25 pages, 15 figure