Virtual Omnidirectional Perception for Downwash Prediction within a Team of Nano Multirotors Flying in Close Proximity

Teams of flying robots can be used for inspection, delivery, and construction tasks, in which they might be required to fly very close to each other. In such close-proximity cases, nonlinear aerodynamic effects can cause catastrophic crashes, necessitating each robots' awareness of the surrounding. Existing approaches rely on multiple, expensive or heavy perception sensors. Such perception methods are impractical to use on nano multirotors that are constrained with respect to weight, computation, and price. Instead, we propose to use the often ignored yaw degree-of-freedom of multirotors to spin a single, cheap and lightweight monocular camera at a high angular rate for omnidirectional awareness of the neighboring robots. We provide a dataset collected with real-world physical flights as well as with 3D-rendered scenes and compare two existing learning-based methods in different settings with respect to success rate, relative position estimation, and downwash prediction accuracy. We demonstrate that our proposed spinning camera is capable of predicting the presence of aerodynamic downwash with an $F_1$ score of over 80% in a challenging swapping task

External multi-modal imaging sensor calibration for sensor fusion: A review

Multi-modal data fusion has gained popularity due to its diverse applications, leading to an increased demand for external sensor calibration. Despite several proven calibration solutions, they fail to fully satisfy all the evaluation criteria, including accuracy, automation, and robustness. Thus, this review aims to contribute to this growing field by examining recent research on multi-modal imaging sensor calibration and proposing future research directions. The literature review comprehensively explains the various characteristics and conditions of different multi-modal external calibration methods, including traditional motion-based calibration and feature-based calibration. Target-based calibration and targetless calibration are two types of feature-based calibration, which are discussed in detail. Furthermore, the paper highlights systematic calibration as an emerging research direction. Finally, this review concludes crucial factors for evaluating calibration methods and provides a comprehensive discussion on their applications, with the aim of providing valuable insights to guide future research directions. Future research should focus primarily on the capability of online targetless calibration and systematic multi-modal sensor calibration.Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades | Ref. PID2019-108816RB-I0

Visual Odometry and Sparse Scene Reconstruction for UAVs with a Multi-Fisheye Camera System

Autonomously operating UAVs demand a fast localization for navigation, to actively explore unknown areas and to create maps. For pose estimation, many UAV systems make use of a combination of GPS receivers and inertial sensor units (IMU). However, GPS signal coverage may go down occasionally, especially in the close vicinity of objects, and precise IMUs are too heavy to be carried by lightweight UAVs. This and the high cost of high quality IMU motivate the use of inexpensive vision based sensors for localization using visual odometry or visual SLAM (simultaneous localization and mapping) techniques. The first contribution of this thesis is a more general approach to bundle adjustment with an extended version of the projective coplanarity equation which enables us to make use of omnidirectional multi-camera systems which may consist of fisheye cameras that can capture a large field of view with one shot. We use ray directions as observations instead of image points which is why our approach does not rely on a specific projection model assuming a central projection. In addition, our approach allows the integration and estimation of points at infinity, which classical bundle adjustments are not capable of. We show that the integration of far or infinitely far points stabilizes the estimation of the rotation angles of the camera poses. In its second contribution, we employ this approach to bundle adjustment in a highly integrated system for incremental pose estimation and mapping on light-weight UAVs. Based on the image sequences of a multi-camera system our system makes use of tracked feature points to incrementally build a sparse map and incrementally refines this map using the iSAM2 algorithm. Our system is able to optionally integrate GPS information on the level of carrier phase observations even in underconstrained situations, e.g. if only two satellites are visible, for georeferenced pose estimation. This way, we are able to use all available information in underconstrained GPS situations to keep the mapped 3D model accurate and georeferenced. In its third contribution, we present an approach for re-using existing methods for dense stereo matching with fisheye cameras, which has the advantage that highly optimized existing methods can be applied as a black-box without modifications even with cameras that have field of view of more than 180 deg. We provide a detailed accuracy analysis of the obtained dense stereo results. The accuracy analysis shows the growing uncertainty of observed image points of fisheye cameras due to increasing blur towards the image border. Core of the contribution is a rigorous variance component estimation which allows to estimate the variance of the observed disparities at an image point as a function of the distance of that point to the principal point. We show that this improved stochastic model provides a more realistic prediction of the uncertainty of the triangulated 3D points.Autonom operierende UAVs benötigen eine schnelle Lokalisierung zur Navigation, zur Exploration unbekannter Umgebungen und zur Kartierung. Zur Posenbestimmung verwenden viele UAV-Systeme eine Kombination aus GPS-Empfängern und Inertial-Messeinheiten (IMU). Die Verfügbarkeit von GPS-Signalen ist jedoch nicht überall gewährleistet, insbesondere in der Nähe abschattender Objekte, und präzise IMUs sind für leichtgewichtige UAVs zu schwer. Auch die hohen Kosten qualitativ hochwertiger IMUs motivieren den Einsatz von kostengünstigen bildgebenden Sensoren zur Lokalisierung mittels visueller Odometrie oder SLAM-Techniken zur simultanen Lokalisierung und Kartierung. Im ersten wissenschaftlichen Beitrag dieser Arbeit entwickeln wir einen allgemeineren Ansatz für die Bündelausgleichung mit einem erweiterten Modell für die projektive Kollinearitätsgleichung, sodass auch omnidirektionale Multikamerasysteme verwendet werden können, welche beispielsweise bestehend aus Fisheyekameras mit einer Aufnahme einen großen Sichtbereich abdecken. Durch die Integration von Strahlrichtungen als Beobachtungen ist unser Ansatz nicht von einem kameraspezifischen Abbildungsmodell abhängig solange dieses der Zentralprojektion folgt. Zudem erlaubt unser Ansatz die Integration und Schätzung von unendlich fernen Punkten, was bei klassischen Bündelausgleichungen nicht möglich ist. Wir zeigen, dass durch die Integration weit entfernter und unendlich ferner Punkte die Schätzung der Rotationswinkel der Kameraposen stabilisiert werden kann. Im zweiten Beitrag verwenden wir diesen entwickelten Ansatz zur Bündelausgleichung für ein System zur inkrementellen Posenschätzung und dünnbesetzten Kartierung auf einem leichtgewichtigen UAV. Basierend auf den Bildsequenzen eines Mulitkamerasystems baut unser System mittels verfolgter markanter Bildpunkte inkrementell eine dünnbesetzte Karte auf und verfeinert diese inkrementell mittels des iSAM2-Algorithmus. Unser System ist in der Lage optional auch GPS Informationen auf dem Level von GPS-Trägerphasen zu integrieren, wodurch sogar in unterbestimmten Situation - beispielsweise bei nur zwei verfügbaren Satelliten - diese Informationen zur georeferenzierten Posenschätzung verwendet werden können. Im dritten Beitrag stellen wir einen Ansatz zur Verwendung existierender Methoden für dichtes Stereomatching mit Fisheyekameras vor, sodass hoch optimierte existierende Methoden als Black Box ohne Modifzierungen sogar mit Kameras mit einem Gesichtsfeld von mehr als 180 Grad verwendet werden können. Wir stellen eine detaillierte Genauigkeitsanalyse basierend auf dem Ergebnis des dichten Stereomatchings dar. Die Genauigkeitsanalyse zeigt, wie stark die Genauigkeit beobachteter Bildpunkte bei Fisheyekameras zum Bildrand aufgrund von zunehmender Unschärfe abnimmt. Das Kernstück dieses Beitrags ist eine Varianzkomponentenschätzung, welche die Schätzung der Varianz der beobachteten Disparitäten an einem Bildpunkt als Funktion von der Distanz dieses Punktes zum Hauptpunkt des Bildes ermöglicht. Wir zeigen, dass dieses verbesserte stochastische Modell eine realistischere Prädiktion der Genauigkeiten der 3D Punkte ermöglicht

A Lightweight and Cost-Effective 3D Omnidirectional Depth Sensor Based on Laser Triangulation

In this paper, we propose a new lightweight and cost-effective 3D omnidirectional depth sensor based on laser triangulation in order to ensure a wide field of view (FOV) while achieving portability and affordability. The proposed sensor is tiny palm-sized and hence easily installed even on small moving objects, which is largely composed of a structured light-based 2D sensor and a rotating motor for creating a full 360 degree horizontal FOV, thus providing a 3D omnidirectional sensing capability. The structured light-based 2D sensor is specially designed to maximize the vertical FOV by employing a fisheye camera and a laser beam passing through two cylindrical lenses for projecting a line onto a surface. From the rotational movement of the 2D sensor due to the mounted motor, its surroundings are scanned by extracting the corresponding 3D omnidirectional depth information from laser triangulation. The actual implementation is carried out to examine the technical feasibility of realizing the proposed 3D omnidirectioanl depth sensor. It turns out that the proposed depth sensor covers over 97% area of its surrounding sphere. It is also observed through experiments that the proposed 3D omnidirectional depth sensor has similar accuracy to that of a Velodyne HDL-32, 32-channel light detection and ranging (LIDAR) sensor, at a range of 5 m to 6 m while providing much wider vertical FOV and higher vertical resolution.11Ysciescopu

Multi-environment Georeferencing of RGB-D Panoramic Images from Portable Mobile Mapping – a Perspective for Infrastructure Management

Hochaufgelöste, genau georeferenzierte RGB-D-Bilder sind die Grundlage für 3D-Bildräume bzw. 3D Street-View-Webdienste, welche bereits kommerziell für das Infrastrukturmanagement eingesetzt werden. MMS ermöglichen eine schnelle und effiziente Datenerfassung von Infrastrukturen. Die meisten im Aussenraum eingesetzten MMS beruhen auf direkter Georeferenzierung. Diese ermöglicht in offenen Bereichen absolute Genauigkeiten im Zentimeterbereich. Bei GNSS-Abschattung fällt die Genauigkeit der direkten Georeferenzierung jedoch schnell in den Dezimeter- oder sogar in den Meterbereich. In Innenräumen eingesetzte MMS basieren hingegen meist auf SLAM. Die meisten SLAM-Algorithmen wurden jedoch für niedrige Latenzzeiten und für Echtzeitleistung optimiert und nehmen daher Abstriche bei der Genauigkeit, der Kartenqualität und der maximalen Ausdehnung in Kauf. Das Ziel dieser Arbeit ist, hochaufgelöste RGB-D-Bilder in verschiedenen Umgebungen zu erfassen und diese genau und zuverlässig zu georeferenzieren. Für die Datenerfassung wurde ein leistungsstarkes, bildfokussiertes und rucksackgetragenes MMS entwickelt. Dieses besteht aus einer Mehrkopf-Panoramakamera, zwei Multi-Beam LiDAR-Scannern und einer GNSS- und IMU-kombinierten Navigationseinheit der taktischen Leistungsklasse. Alle Sensoren sind präzise synchronisiert und ermöglichen Zugriff auf die Rohdaten. Das Gesamtsystem wurde in Testfeldern mit bündelblockbasierten sowie merkmalsbasierten Methoden kalibriert, was eine Voraussetzung für die Integration kinematischer Sensordaten darstellt. Für eine genaue und zuverlässige Georeferenzierung in verschiedenen Umgebungen wurde ein mehrstufiger Georeferenzierungsansatz entwickelt, welcher verschiedene Sensordaten und Georeferenzierungsmethoden vereint. Direkte und LiDAR SLAM-basierte Georeferenzierung liefern Initialposen für die nachträgliche bildbasierte Georeferenzierung mittels erweiterter SfM-Pipeline. Die bildbasierte Georeferenzierung führt zu einer präzisen aber spärlichen Trajektorie, welche sich für die Georeferenzierung von Bildern eignet. Um eine dichte Trajektorie zu erhalten, die sich auch für die Georeferenzierung von LiDAR-Daten eignet, wurde die direkte Georeferenzierung mit Posen der bildbasierten Georeferenzierung gestützt. Umfassende Leistungsuntersuchungen in drei weiträumigen anspruchsvollen Testgebieten zeigen die Möglichkeiten und Grenzen unseres Georeferenzierungsansatzes. Die drei Testgebiete im Stadtzentrum, im Wald und im Gebäude repräsentieren reale Bedingungen mit eingeschränktem GNSS-Empfang, schlechter Beleuchtung, sich bewegenden Objekten und sich wiederholenden geometrischen Mustern. Die bildbasierte Georeferenzierung erzielte die besten Genauigkeiten, wobei die mittlere Präzision im Bereich von 5 mm bis 7 mm lag. Die absolute Genauigkeit betrug 85 mm bis 131 mm, was einer Verbesserung um Faktor 2 bis 7 gegenüber der direkten und LiDAR SLAM-basierten Georeferenzierung entspricht. Die direkte Georeferenzierung mit CUPT-Stützung von Bildposen der bildbasierten Georeferenzierung, führte zu einer leicht verschlechterten mittleren Präzision im Bereich von 13 mm bis 16 mm, wobei sich die mittlere absolute Genauigkeit nicht signifikant von der bildbasierten Georeferenzierung unterschied. Die in herausfordernden Umgebungen erzielten Genauigkeiten bestätigen frühere Untersuchungen unter optimalen Bedingungen und liegen in derselben Grössenordnung wie die Resultate anderer Forschungsgruppen. Sie können für die Erstellung von Street-View-Services in herausfordernden Umgebungen für das Infrastrukturmanagement verwendet werden. Genau und zuverlässig georeferenzierte RGB-D-Bilder haben ein grosses Potenzial für zukünftige visuelle Lokalisierungs- und AR-Anwendungen

Exploring Sparse, Unstructured Video Collections of Places

The abundance of mobile devices and digital cameras with video capture makes it easy to obtain large collections of video clips that contain the same location, environment, or event. However, such an unstructured collection is difficult to comprehend and explore. We propose a system that analyses collections of unstructured but related video data to create a Videoscape: a data structure that enables interactive exploration of video collections by visually navigating — spatially and/or temporally — between different clips. We automatically identify transition opportunities, or portals. From these portals, we construct the Videoscape, a graph whose edges are video clips and whose nodes are portals between clips. Now structured, the videos can be interactively explored by walking the graph or by geographic map. Given this system, we gauge preference for different video transition styles in a user study, and generate heuristics that automatically choose an appropriate transition style. We evaluate our system using three further user studies, which allows us to conclude that Videoscapes provides significant benefits over related methods. Our system leads to previously unseen ways of interactive spatio-temporal exploration of casually captured videos, and we demonstrate this on several video collections

Real-Time Accurate Visual SLAM with Place Recognition

El problema de localización y construcción simultánea de mapas (del inglés Simultaneous Localization and Mapping, abreviado SLAM) consiste en localizar un sensor en un mapa que se construye en línea. La tecnología de SLAM hace posible la localización de un robot en un entorno desconocido para él, procesando la información de sus sensores de a bordo y por tanto sin depender de infraestructuras externas. Un mapa permite localizarse en todo momento sin acumular deriva, a diferencia de una odometría donde se integran movimientos incrementales. Este tipo de tecnología es crítica para la navegación de robots de servicio y vehículos autónomos, o para la localización del usuario en aplicaciones de realidad aumentada o virtual. La principal contribución de esta tesis es ORB-SLAM, un sistema de SLAM monocular basado en características que trabaja en tiempo real en ambientes pequeños y grandes, de interior y exterior. El sistema es robusto a elementos dinámicos en la escena, permite cerrar bucles y relocalizar la cámara incluso si el punto de vista ha cambiado significativamente, e incluye un método de inicialización completamente automático. ORB-SLAM es actualmente la solución más completa, precisa y fiable de SLAM monocular empleando una cámara como único sensor. El sistema, estando basado en características y ajuste de haces, ha demostrado una precisión y robustez sin precedentes en secuencias públicas estándar.Adicionalmente se ha extendido ORB-SLAM para reconstruir el entorno de forma semi-densa. Nuestra solución desacopla la reconstrucción semi-densa de la estimación de la trayectoria de la cámara, lo que resulta en un sistema que combina la precisión y robustez del SLAM basado en características con las reconstrucciones más completas de los métodos directos. Además se ha extendido la solución monocular para aprovechar la información de cámaras estéreo, RGB-D y sensores inerciales, obteniendo precisiones superiores a otras soluciones del estado del arte. Con el fin de contribuir a la comunidad científica, hemos hecho libre el código de una implementación de nuestra solución de SLAM para cámaras monoculares, estéreo y RGB-D, siendo la primera solución de código libre capaz de funcionar con estos tres tipos de cámara. Bibliografía:R. Mur-Artal and J. D. Tardós.Fast Relocalisation and Loop Closing in Keyframe-Based SLAM.IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). Hong Kong, China, June 2014.R. Mur-Artal and J. D. Tardós.ORB-SLAM: Tracking and Mapping Recognizable Features.RSS Workshop on Multi VIew Geometry in RObotics (MVIGRO). Berkeley, USA, July 2014. R. Mur-Artal and J. D. Tardós.Probabilistic Semi-Dense Mapping from Highly Accurate Feature-Based Monocular SLAM.Robotics: Science and Systems (RSS). Rome, Italy, July 2015.R. Mur-Artal, J. M. M. Montiel and J. D. Tardós.ORB-SLAM: A Versatile and Accurate Monocular SLAM System.IEEE Transactions on Robotics, vol. 31, no. 5, pp. 1147-1163, October 2015.(2015 IEEE Transactions on Robotics Best Paper Award).R. Mur-Artal, and J. D. Tardós.Visual-Inertial Monocular SLAM with Map Reuse.IEEE Robotics and Automation Letters, vol. 2, no. 2, pp. 796-803, April 2017. (to be presented at ICRA 17).R.Mur-Artal, and J. D. Tardós. ORB-SLAM2: an Open-Source SLAM System for Monocular, Stereo and RGB-D Cameras.ArXiv preprint arXiv:1610.06475, 2016. (under Review).<br /