Proceedings of the 2011 Joint Workshop of Fraunhofer IOSB and Institute for Anthropomatics, Vision and Fusion Laboratory

This book is a collection of 15 reviewed technical reports summarizing the presentations at the 2011 Joint Workshop of Fraunhofer IOSB and Institute for Anthropomatics, Vision and Fusion Laboratory. The covered topics include image processing, optical signal processing, visual inspection, pattern recognition and classification, human-machine interaction, world and situation modeling, autonomous system localization and mapping, information fusion, and trust propagation in sensor networks

Proceedings of the 2009 Joint Workshop of Fraunhofer IOSB and Institute for Anthropomatics, Vision and Fusion Laboratory

The joint workshop of the Fraunhofer Institute of Optronics, System Technologies and Image Exploitation IOSB, Karlsruhe, and the Vision and Fusion Laboratory (Institute for Anthropomatics, Karlsruhe Institute of Technology (KIT)), is organized annually since 2005 with the aim to report on the latest research and development findings of the doctoral students of both institutions. This book provides a collection of 16 technical reports on the research results presented on the 2009 workshop

Evolutionary Optimization Techniques for 3D Simultaneous Localization and Mapping

Mención Internacional en el título de doctorMobile robots are growing up in applications to move through indoors and outdoors environments, passing from teleoperated applications to autonomous applications like exploring or navigating. For a robot to move through a particular location, it needs to gather information about the scenario using sensors. These sensors allow the robot to observe, depending on the sensor data type. Cameras mostly give information in two dimensions, with colors and pixels representing an image. Range sensors give distances from the robot to obstacles. Depth Cameras mix both technologies to expand their information to three-dimensional information. Light Detection and Ranging (LiDAR) provides information about the distance to the sensor but expands its range to planes and three dimensions alongside precision. So, mobile robots use those sensors to scan the scenario while moving. If the robot already has a map, the sensors measure, and the robot finds features that correspond to features on the map to localize itself. Men have used Maps as a specialized form of representing the environment for more than 5000 years, becoming a piece of important information in today’s daily basics. Maps are used to navigate from one place to another, localize something inside some boundaries, or as a form of documentation of essential features. So naturally, an intuitive way of making an autonomous mobile robot is to implement geometrical information maps to represent the environment. On the other hand, if the robot does not have a previous map, it should build it while moving around. The robot computes the sensor information with the odometer sensor information to achieve this task. However, sensors have their own flaws due to precision, calibration, or accuracy. Furthermore, moving a robot has its physical constraints and faults that may occur randomly, like wheel drifting or mechanical miscalibration that may make the odometers fail in the measurement, causing misalignment during the map building. A novel technique was presented in the mid-90s to solve this problem and overpass the uncertainty of sensors while the robot is building the map, the Simultaneous Localization and Mapping algorithm (SLAM). Its goal is to build a map while the robot’s position is corrected based on the information of two or more consecutive scans matched together or find the rigid registration vector between them. This algorithm has been broadly studied and developed for almost 25 years. Nonetheless, it is highly relevant in innovations, modifications, and adaptations due to the advances in new sensors and the complexity of the scenarios in emerging mobile robotics applications. The scan matching algorithm aims to find a pose vector representing the transformation or movement between two robot observations by finding the best possible value after solving an equation representing a good transformation. It means searching for a solution in an optimum way. Typically this optimization process has been solved using classical optimization algorithms, like Newton’s algorithm or solving gradient and second derivatives formulations, yet this requires an initial guess or initial state that helps the algorithm point in the right direction, most of the time by getting this information from the odometers or inertial sensors. Although, it is not always possible to have or trust this information, as some scenarios are complex and reckon sensors fail. In order to solve this problem, this research presents the uses of evolutionary optimization algorithms, those with a meta-heuristics definition based on iterative evolution that mimics optimization processes that do not need previous information to search a limited range for solutions to solve a fitness function. The main goal of this dissertation is to study, develop and prove the benefits of evolutionary optimization algorithms in simultaneous localization and mapping for mobile robots in six degrees of freedom scenarios using LiDAR sensor information. This work introduces several evolutionary algorithms for scan matching, acknowledge a mixed fitness function for registration, solve simultaneous localization and matching in different scenarios, implements loop closure and error relaxation, and proves its performance at indoors, outdoors and underground mapping applications.Los robots móviles están creciendo en aplicaciones para moverse por entornos interiores y exteriores, pasando de aplicaciones teleoperadas a aplicaciones autónomas como explorar o navegar. Para que un robot se mueva a través de una ubicación en particular, necesita recopilar información sobre el escenario utilizando sensores. Estos sensores permiten que el robot observe, según el tipo de datos del sensor. Las cámaras en su mayoría brindan información en dos dimensiones, con colores y píxeles que representan una imagen. Los sensores de rango dan distancias desde el robot hasta los obstáculos. Las Cámaras de Profundidad mezclan ambas tecnologías para expandir su información a información tridimensional. Light Detection and Ranging (LiDAR) proporciona información sobre la distancia al sensor, pero amplía su rango a planos y tres dimensiones así como mejora la precisión. Por lo tanto, los robots móviles usan esos sensores para escanear el escenario mientras se mueven. Si el robot ya tiene un mapa, los sensores miden y el robot encuentra características que corresponden a características en dicho mapa para localizarse. La humanidad ha utilizado los mapas como una forma especializada de representar el medio ambiente durante más de 5000 años, convirtiéndose en una pieza de información importante en los usos básicos diarios de hoy en día. Los mapas se utilizan para navegar de un lugar a otro, localizar algo dentro de algunos límites o como una forma de documentación de características esenciales. Entonces, naturalmente, una forma intuitiva de hacer un robot móvil autónomo es implementar mapas de información geométrica para representar el entorno. Por otro lado, si el robot no tiene un mapa previo, deberá construirlo mientras se desplaza. El robot junta la información del sensor de distancias con la información del sensor del odómetro para lograr esta tarea de crear un mapa. Sin embargo, los sensores tienen sus propios defectos debido a la precisión, la calibración o la exactitud. Además, mover un robot tiene sus limitaciones físicas y fallas que pueden ocurrir aleatoriamente, como el desvío de las ruedas o una mala calibración mecánica que puede hacer que los contadores de desplazamiento fallen en la medición, lo que provoca una desalineación durante la construcción del mapa. A mediados de los años 90 se presentó una técnica novedosa para resolver este problema y superar la incertidumbre de los sensores mientras el robot construye el mapa, el algoritmo de localización y mapeo simultáneos (SLAM). Su objetivo es construir un mapa mientras se corrige la posición del robot en base a la información de dos o más escaneos consecutivos emparejados o encontrar el vector de correspondencia entre ellos. Este algoritmo ha sido ampliamente estudiado y desarrollado durante casi 25 años. No obstante, es muy relevante en innovaciones, modificaciones y adaptaciones debido a los avances en sensores y la complejidad de los escenarios en las aplicaciones emergentes de robótica móvil. El algoritmo de correspondencia de escaneo tiene como objetivo encontrar un vector de pose que represente la transformación o el movimiento entre dos observaciones del robot al encontrar el mejor valor posible después de resolver una ecuación que represente una buena transformación. Significa buscar una solución de forma óptima. Por lo general, este proceso de optimización se ha resuelto utilizando algoritmos de optimización clásicos, como el algoritmo de Newton o la resolución de formulaciones de gradientes y segundas derivadas, pero esto requiere una conjetura inicial o un estado inicial que ayude al algoritmo a apuntar en la dirección correcta, la mayoría de las veces obteniendo esta información de los sensores odometricos o sensores de inercia, aunque no siempre es posible tener o confiar en esta información, ya que algunos escenarios son complejos y los sensores fallan. Para resolver este problema, esta investigación presenta los usos de los algoritmos de optimización evolutiva, aquellos con una definición meta-heurística basada en la evolución iterativa que imita los procesos de optimización que no necesitan información previa para buscar dentro de un rango limitado el grupo de soluciones que resuelve una función de calidad. El objetivo principal de esta tesis es estudiar, desarrollar y probar los usos de algoritmos de optimización evolutiva en localización y mapeado simultáneos para robots móviles en escenarios de seis grados de libertad utilizando información de sensores LiDAR. Este trabajo introduce varios algoritmos evolutivos que resuelven la correspondencia entre medidas, soluciona el problema de SLAM, implementa una fusion de funciones objetivos y demuestra sus ventajas con pruebas en escenarios reales tanto en interiores, exteriores como mapeado de escenarios subterraneos.Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de MadridPresidente: Gerardo Fernández López.- Secretario: María Dolores Blanco Rojas.- Vocal: David Álvarez Sánche

Scan registration for underwater mechanical scanning imaging sonar using symmetrical Kullback-Leibler divergence

Due to its advantages in size and energy consumption, mechanical scanning imaging sonar (MSIS) has been widely used in portable and economic underwater robots to observe the turbid and noisy underwater environment. However, handicapped by the coarseness in spatial and temporal resolution, it is difficult to stitch the scan pieces together into a panoramic map for global understanding. A registration method named symmetrical Kullback-Leibler divergence (SKLD)-distribution-to-distribution (D2D), which models each scan as a Gaussian mixture model (GMM) and evaluates the similarity between two GMMs in a D2D way with the measure defined by SKLD, is proposed to register the scans collected by MSIS. SKLD not only weights the difference between distributions with the prior probability but also increases the numerical stability with the symmetrical constraint in distance measure. Moreover, an approximation strategy is designed to derive a tractable solution for the KLD between two GMMs. Experimental results on the scans that were collected from the realistic underwater environment demonstrate that SKLD-D2D dramatically reduces the computational cost without compromising the estimation precision. (C) 2019 SPIE and IS&

Contributions to autonomous robust navigation of mobile robots in industrial applications

151 p.Un aspecto en el que las plataformas móviles actuales se quedan atrás en comparación con el punto que se ha alcanzado ya en la industria es la precisión. La cuarta revolución industrial trajo consigo la implantación de maquinaria en la mayor parte de procesos industriales, y una fortaleza de estos es su repetitividad. Los robots móviles autónomos, que son los que ofrecen una mayor flexibilidad, carecen de esta capacidad, principalmente debido al ruido inherente a las lecturas ofrecidas por los sensores y al dinamismo existente en la mayoría de entornos. Por este motivo, gran parte de este trabajo se centra en cuantificar el error cometido por los principales métodos de mapeado y localización de robots móviles,ofreciendo distintas alternativas para la mejora del posicionamiento.Asimismo, las principales fuentes de información con las que los robots móviles son capaces de realizarlas funciones descritas son los sensores exteroceptivos, los cuales miden el entorno y no tanto el estado del propio robot. Por esta misma razón, algunos métodos son muy dependientes del escenario en el que se han desarrollado, y no obtienen los mismos resultados cuando este varía. La mayoría de plataformas móviles generan un mapa que representa el entorno que les rodea, y fundamentan en este muchos de sus cálculos para realizar acciones como navegar. Dicha generación es un proceso que requiere de intervención humana en la mayoría de casos y que tiene una gran repercusión en el posterior funcionamiento del robot. En la última parte del presente trabajo, se propone un método que pretende optimizar este paso para así generar un modelo más rico del entorno sin requerir de tiempo adicional para ello