Perception of Unstructured Environments for Autonomous Off-Road Vehicles

Autonome Fahrzeuge benötigen die Fähigkeit zur Perzeption als eine notwendige Voraussetzung für eine kontrollierbare und sichere Interaktion, um ihre Umgebung wahrzunehmen und zu verstehen. Perzeption für strukturierte Innen- und Außenumgebungen deckt wirtschaftlich lukrative Bereiche, wie den autonomen Personentransport oder die Industrierobotik ab, während die Perzeption unstrukturierter Umgebungen im Forschungsfeld der Umgebungswahrnehmung stark unterrepräsentiert ist. Die analysierten unstrukturierten Umgebungen stellen eine besondere Herausforderung dar, da die vorhandenen, natürlichen und gewachsenen Geometrien meist keine homogene Struktur aufweisen und ähnliche Texturen sowie schwer zu trennende Objekte dominieren. Dies erschwert die Erfassung dieser Umgebungen und deren Interpretation, sodass Perzeptionsmethoden speziell für diesen Anwendungsbereich konzipiert und optimiert werden müssen. In dieser Dissertation werden neuartige und optimierte Perzeptionsmethoden für unstrukturierte Umgebungen vorgeschlagen und in einer ganzheitlichen, dreistufigen Pipeline für autonome Geländefahrzeuge kombiniert: Low-Level-, Mid-Level- und High-Level-Perzeption. Die vorgeschlagenen klassischen Methoden und maschinellen Lernmethoden (ML) zur Perzeption bzw.~Wahrnehmung ergänzen sich gegenseitig. Darüber hinaus ermöglicht die Kombination von Perzeptions- und Validierungsmethoden für jede Ebene eine zuverlässige Wahrnehmung der möglicherweise unbekannten Umgebung, wobei lose und eng gekoppelte Validierungsmethoden kombiniert werden, um eine ausreichende, aber flexible Bewertung der vorgeschlagenen Perzeptionsmethoden zu gewährleisten. Alle Methoden wurden als einzelne Module innerhalb der in dieser Arbeit vorgeschlagenen Perzeptions- und Validierungspipeline entwickelt, und ihre flexible Kombination ermöglicht verschiedene Pipelinedesigns für eine Vielzahl von Geländefahrzeugen und Anwendungsfällen je nach Bedarf. Low-Level-Perzeption gewährleistet eine eng gekoppelte Konfidenzbewertung für rohe 2D- und 3D-Sensordaten, um Sensorausfälle zu erkennen und eine ausreichende Genauigkeit der Sensordaten zu gewährleisten. Darüber hinaus werden neuartige Kalibrierungs- und Registrierungsansätze für Multisensorsysteme in der Perzeption vorgestellt, welche lediglich die Struktur der Umgebung nutzen, um die erfassten Sensordaten zu registrieren: ein halbautomatischer Registrierungsansatz zur Registrierung mehrerer 3D~Light Detection and Ranging (LiDAR) Sensoren und ein vertrauensbasiertes Framework, welches verschiedene Registrierungsmethoden kombiniert und die Registrierung verschiedener Sensoren mit unterschiedlichen Messprinzipien ermöglicht. Dabei validiert die Kombination mehrerer Registrierungsmethoden die Registrierungsergebnisse in einer eng gekoppelten Weise. Mid-Level-Perzeption ermöglicht die 3D-Rekonstruktion unstrukturierter Umgebungen mit zwei Verfahren zur Schätzung der Disparität von Stereobildern: ein klassisches, korrelationsbasiertes Verfahren für Hyperspektralbilder, welches eine begrenzte Menge an Test- und Validierungsdaten erfordert, und ein zweites Verfahren, welches die Disparität aus Graustufenbildern mit neuronalen Faltungsnetzen (CNNs) schätzt. Neuartige Disparitätsfehlermetriken und eine Evaluierungs-Toolbox für die 3D-Rekonstruktion von Stereobildern ergänzen die vorgeschlagenen Methoden zur Disparitätsschätzung aus Stereobildern und ermöglichen deren lose gekoppelte Validierung. High-Level-Perzeption konzentriert sich auf die Interpretation von einzelnen 3D-Punktwolken zur Befahrbarkeitsanalyse, Objekterkennung und Hindernisvermeidung. Eine Domänentransferanalyse für State-of-the-art-Methoden zur semantischen 3D-Segmentierung liefert Empfehlungen für eine möglichst exakte Segmentierung in neuen Zieldomänen ohne eine Generierung neuer Trainingsdaten. Der vorgestellte Trainingsansatz für 3D-Segmentierungsverfahren mit CNNs kann die benötigte Menge an Trainingsdaten weiter reduzieren. Methoden zur Erklärbarkeit künstlicher Intelligenz vor und nach der Modellierung ermöglichen eine lose gekoppelte Validierung der vorgeschlagenen High-Level-Methoden mit Datensatzbewertung und modellunabhängigen Erklärungen für CNN-Vorhersagen. Altlastensanierung und Militärlogistik sind die beiden Hauptanwendungsfälle in unstrukturierten Umgebungen, welche in dieser Arbeit behandelt werden. Diese Anwendungsszenarien zeigen auch, wie die Lücke zwischen der Entwicklung einzelner Methoden und ihrer Integration in die Verarbeitungskette für autonome Geländefahrzeuge mit Lokalisierung, Kartierung, Planung und Steuerung geschlossen werden kann. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die vorgeschlagene Pipeline flexible Perzeptionslösungen für autonome Geländefahrzeuge bietet und die begleitende Validierung eine exakte und vertrauenswürdige Perzeption unstrukturierter Umgebungen gewährleistet

Lidar-based Obstacle Detection and Recognition for Autonomous Agricultural Vehicles

Today, agricultural vehicles are available that can drive autonomously and follow exact route plans more precisely than human operators. Combined with advancements in precision agriculture, autonomous agricultural robots can reduce manual labor, improve workflow, and optimize yield. However, as of today, human operators are still required for monitoring the environment and acting upon potential obstacles in front of the vehicle. To eliminate this need, safety must be ensured by accurate and reliable obstacle detection and avoidance systems.In this thesis, lidar-based obstacle detection and recognition in agricultural environments has been investigated. A rotating multi-beam lidar generating 3D point clouds was used for point-wise classification of agricultural scenes, while multi-modal fusion with cameras and radar was used to increase performance and robustness. Two research perception platforms were presented and used for data acquisition. The proposed methods were all evaluated on recorded datasets that represented a wide range of realistic agricultural environments and included both static and dynamic obstacles.For 3D point cloud classification, two methods were proposed for handling density variations during feature extraction. One method outperformed a frequently used generic 3D feature descriptor, whereas the other method showed promising preliminary results using deep learning on 2D range images. For multi-modal fusion, four methods were proposed for combining lidar with color camera, thermal camera, and radar. Gradual improvements in classification accuracy were seen, as spatial, temporal, and multi-modal relationships were introduced in the models. Finally, occupancy grid mapping was used to fuse and map detections globally, and runtime obstacle detection was applied on mapped detections along the vehicle path, thus simulating an actual traversal.The proposed methods serve as a first step towards full autonomy for agricultural vehicles. The study has thus shown that recent advancements in autonomous driving can be transferred to the agricultural domain, when accurate distinctions are made between obstacles and processable vegetation. Future research in the domain has further been facilitated with the release of the multi-modal obstacle dataset, FieldSAFE

TractorEYE: Vision-based Real-time Detection for Autonomous Vehicles in Agriculture

Agricultural vehicles such as tractors and harvesters have for decades been able to navigate automatically and more efficiently using commercially available products such as auto-steering and tractor-guidance systems. However, a human operator is still required inside the vehicle to ensure the safety of vehicle and especially surroundings such as humans and animals. To get fully autonomous vehicles certified for farming, computer vision algorithms and sensor technologies must detect obstacles with equivalent or better than human-level performance. Furthermore, detections must run in real-time to allow vehicles to actuate and avoid collision.This thesis proposes a detection system (TractorEYE), a dataset (FieldSAFE), and procedures to fuse information from multiple sensor technologies to improve detection of obstacles and to generate a map. TractorEYE is a multi-sensor detection system for autonomous vehicles in agriculture. The multi-sensor system consists of three hardware synchronized and registered sensors (stereo camera, thermal camera and multi-beam lidar) mounted on/in a ruggedized and water-resistant casing. Algorithms have been developed to run a total of six detection algorithms (four for rgb camera, one for thermal camera and one for a Multi-beam lidar) and fuse detection information in a common format using either 3D positions or Inverse Sensor Models. A GPU powered computational platform is able to run detection algorithms online. For the rgb camera, a deep learning algorithm is proposed DeepAnomaly to perform real-time anomaly detection of distant, heavy occluded and unknown obstacles in agriculture. DeepAnomaly is -- compared to a state-of-the-art object detector Faster R-CNN -- for an agricultural use-case able to detect humans better and at longer ranges (45-90m) using a smaller memory footprint and 7.3-times faster processing. Low memory footprint and fast processing makes DeepAnomaly suitable for real-time applications running on an embedded GPU. FieldSAFE is a multi-modal dataset for detection of static and moving obstacles in agriculture. The dataset includes synchronized recordings from a rgb camera, stereo camera, thermal camera, 360-degree camera, lidar and radar. Precise localization and pose is provided using IMU and GPS. Ground truth of static and moving obstacles (humans, mannequin dolls, barrels, buildings, vehicles, and vegetation) are available as an annotated orthophoto and GPS coordinates for moving obstacles. Detection information from multiple detection algorithms and sensors are fused into a map using Inverse Sensor Models and occupancy grid maps. This thesis presented many scientific contribution and state-of-the-art within perception for autonomous tractors; this includes a dataset, sensor platform, detection algorithms and procedures to perform multi-sensor fusion. Furthermore, important engineering contributions to autonomous farming vehicles are presented such as easily applicable, open-source software packages and algorithms that have been demonstrated in an end-to-end real-time detection system. The contributions of this thesis have demonstrated, addressed and solved critical issues to utilize camera-based perception systems that are essential to make autonomous vehicles in agriculture a reality

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

LiDAR and Camera Detection Fusion in a Real Time Industrial Multi-Sensor Collision Avoidance System

Collision avoidance is a critical task in many applications, such as ADAS (advanced driver-assistance systems), industrial automation and robotics. In an industrial automation setting, certain areas should be off limits to an automated vehicle for protection of people and high-valued assets. These areas can be quarantined by mapping (e.g., GPS) or via beacons that delineate a no-entry area. We propose a delineation method where the industrial vehicle utilizes a LiDAR {(Light Detection and Ranging)} and a single color camera to detect passive beacons and model-predictive control to stop the vehicle from entering a restricted space. The beacons are standard orange traffic cones with a highly reflective vertical pole attached. The LiDAR can readily detect these beacons, but suffers from false positives due to other reflective surfaces such as worker safety vests. Herein, we put forth a method for reducing false positive detection from the LiDAR by projecting the beacons in the camera imagery via a deep learning method and validating the detection using a neural network-learned projection from the camera to the LiDAR space. Experimental data collected at Mississippi State University's Center for Advanced Vehicular Systems (CAVS) shows the effectiveness of the proposed system in keeping the true detection while mitigating false positives.Comment: 34 page