Human Motion Trajectory Prediction: A Survey

With growing numbers of intelligent autonomous systems in human environments, the ability of such systems to perceive, understand and anticipate human behavior becomes increasingly important. Specifically, predicting future positions of dynamic agents and planning considering such predictions are key tasks for self-driving vehicles, service robots and advanced surveillance systems. This paper provides a survey of human motion trajectory prediction. We review, analyze and structure a large selection of work from different communities and propose a taxonomy that categorizes existing methods based on the motion modeling approach and level of contextual information used. We provide an overview of the existing datasets and performance metrics. We discuss limitations of the state of the art and outline directions for further research.Comment: Submitted to the International Journal of Robotics Research (IJRR), 37 page

Metric State Space Reinforcement Learning for a Vision-Capable Mobile Robot

We address the problem of autonomously learning controllers for vision-capable mobile robots. We extend McCallum's (1995) Nearest-Sequence Memory algorithm to allow for general metrics over state-action trajectories. We demonstrate the feasibility of our approach by successfully running our algorithm on a real mobile robot. The algorithm is novel and unique in that it (a) explores the environment and learns directly on a mobile robot without using a hand-made computer model as an intermediate step, (b) does not require manual discretization of the sensor input space, (c) works in piecewise continuous perceptual spaces, and (d) copes with partial observability. Together this allows learning from much less experience compared to previous methods.Comment: 14 pages, 8 figure

A Drift-Resilient and Degeneracy-Aware Loop Closure Detection Method for Localization and Mapping In Perceptually-Degraded Environments

Enabling fully autonomous robots capable of navigating and exploring unknown and complex environments has been at the core of robotics research for several decades. Mobile robots rely on a model of the environment for functions like manipulation, collision avoidance and path planning. In GPS-denied and unknown environments where a prior map of the environment is not available, robots need to rely on the onboard sensing to obtain locally accurate maps to operate in their local environment. A global map of an unknown environment can be constructed from fusion of local maps of temporally or spatially distributed mobile robots in the environment. Loop closure detection, the ability to assert that a robot has returned to a previously visited location, is crucial for consistent mapping as it reduces the drift caused by error accumulation in the estimated robot trajectory. Moreover, in multi-robot systems, loop closure detection enables finding the correspondences between the local maps obtained by individual robots and merging them into a consistent global map of the environment. In ambiguous and perceptually-degraded environments, robust detection of intra- and inter-robot loop closures is especially challenging. This is due to poor illumination or lack-thereof, self-similarity, and sparsity of distinctive perceptual landmarks and features sufficient for establishing global position. Overcoming these challenges enables a wide range of terrestrial and planetary applications, ranging from search and rescue, and disaster relief in hostile environments, to robotic exploration of lunar and Martian surfaces, caves and lava tubes that are of particular interest as they can provide potential habitats for future manned space missions. In this dissertation, methods and metrics are developed for resolving location ambiguities to significantly improve loop closures in perceptually-degraded environments with sparse or undifferentiated features. The first contribution of this dissertation is development of a degeneracy-aware SLAM front-end capable of determining the level of geometric degeneracy in an unknown environment based on computing the Hessian associated with the computed optimal transformation from lidar scan matching. Using this crucial capability, featureless areas that could lead to data association ambiguity and spurious loop closures are determined and excluded from the search for loop closures. This significantly improves the quality and accuracy of localization and mapping, because the search space for loop closures can be expanded as needed to account for drift while decreasing rather than increasing the probability of false loop closure detections. The second contribution of this dissertation is development of a drift-resilient loop closure detection method that relies on the 2D semantic and 3D geometric features extracted from lidar point cloud data to enable detection of loop closures with increased robustness and accuracy as compared to traditional geometric methods. The proposed method achieves higher performance by exploiting the spatial configuration of the local scenes embedded in 2D occupancy grid maps commonly used in robot navigation, to search for putative loop closures in a pre-matching step before using a geometric verification. The third contribution of this dissertation is an extensive evaluation and analysis of performance and comparison with the state-of-the-art methods in simulation and in real-world, including six challenging underground mines across the United States

Computational intelligence approaches to robotics, automation, and control [Volume guest editors]

No abstract available

Robust navigation for industrial service robots

Pla de Doctorats Industrials de la Generalitat de CatalunyaRobust, reliable and safe navigation is one of the fundamental problems of robotics. Throughout the present thesis, we tackle the problem of navigation for robotic industrial mobile-bases. We identify its components and analyze their respective challenges in order to address them. The research work presented here ultimately aims at improving the overall quality of the navigation stack of a commercially available industrial mobile-base. To introduce and survey the overall problem we first break down the navigation framework into clearly identified smaller problems. We examine the Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) problem, recalling its mathematical grounding and exploring the state of the art. We then review the problem of planning the trajectory of a mobile-base toward a desired goal in the generated environment representation. Finally we investigate and clarify the use of the subset of the Lie theory that is useful in robotics. The first problem tackled is the recognition of place for closing loops in SLAM. Loop closure refers to the ability of a robot to recognize a previously visited location and infer geometrical information between its current and past locations. Using only a 2D laser range finder sensor, we address the problem using a technique borrowed from the field of Natural Language Processing (NLP) which has been successfully applied to image-based place recognition, namely the Bag-of-Words. We further improve the method with two proposals inspired from NLP. Firstly, the comparison of places is strengthened by considering the natural relative order of features in each individual sensor reading. Secondly, topological correspondences between places in a corpus of visited places are established in order to promote together instances that are ‘close’ to one another. We then tackle the problem of motion model calibration for odometry estimation. Given a mobile-base embedding an exteroceptive sensor able to observe ego-motion, we propose a novel formulation for estimating the intrinsic parameters of an odometry motion model. Resorting to an adaptation of the pre-integration theory initially developed for inertial motion sensors, we employ iterative nonlinear on-manifold optimization to estimate the wheel radii and wheel separation. The method is further extended to jointly estimate both the intrinsic parameters of the odometry model together with the extrinsic parameters of the embedded sensor. The method is shown to accommodate to variation in model parameters quickly when the vehicle is subject to physical changes during operation. Following the generation of a map in which the robot is localized, we address the problem of estimating trajectories for motion planning. We devise a new method for estimating a sequence of robot poses forming a smooth trajectory. Regardless of the Lie group considered, the trajectory is seen as a collection of states lying on a spline with non-vanishing n-th derivatives at each point. Formulated as a multi-objective nonlinear optimization problem, it allows for the addition of cost functions such as velocity and acceleration limits, collision avoidance and more. The proposed method is evaluated for two different motion planning tasks, the planning of trajectories for a mobile-base evolving in the SE(2) manifold, and the planning of the motion of a multi-link robotic arm whose end-effector evolves in the SE(3) manifold. From our study of Lie theory, we developed a new, ready to use, programming library called `manif’. The library is open source, publicly available and is developed following good software programming practices. It is designed so that it is easy to integrate and manipulate, and allows for flexible use while facilitating the possibility to extend it beyond the already implemented Lie groups.La navegación autónoma es uno de los problemas fundamentales de la robótica, y sus diferentes desafíos se han estudiado durante décadas. El desarrollo de métodos de navegación robusta, confiable y segura es un factor clave para la creación de funcionalidades de nivel superior en robots diseñados para operar en entornos con humanos. A lo largo de la presente tesis, abordamos el problema de navegación para bases robóticas móviles industriales; identificamos los elementos de un sistema de navegación; y analizamos y tratamos sus desafíos. El trabajo de investigación presentado aquí tiene como último objetivo mejorar la calidad general del sistema completo de navegación de una base móvil industrial disponible comercialmente. Para estudiar el problema de navegación, primero lo desglosamos en problemas menores claramente identificados. Examinamos el subproblema de mapeo del entorno y localización del robot simultáneamente (SLAM por sus siglas en ingles) y estudiamos el estado del arte del mismo. Al hacerlo, recordamos y detallamos la base matemática del problema de SLAM. Luego revisamos el subproblema de planificación de trayectorias hacia una meta deseada en la representación del entorno generada. Además, como una herramienta para las soluciones que se presentarán más adelante en el desarrollo de la tesis, investigamos y aclaramos el uso de teoría de Lie, centrándonos en el subconjunto de la teoría que es útil para la estimación de estados en robótica. Como primer elemento identificado para mejoras, abordamos el problema de reconocimiento de lugares para cerrar lazos en SLAM. El cierre de lazos se refiere a la capacidad de un robot para reconocer una ubicación visitada previamente e inferí información geométrica entre la ubicación actual del robot y aquellas reconocidas. Usando solo un sensor láser 2D, la tarea es desafiante ya que la percepción del entorno que proporciona el sensor es escasa y limitada. Abordamos el problema utilizando 'bolsas de palabras', una técnica prestada del campo de procesamiento del lenguaje natural (NLP) que se ha aplicado con éxito anteriormente al reconocimiento de lugares basado en imágenes. Nuestro método incluye dos nuevas propuestas inspiradas también en NLP. Primero, la comparación entre lugares candidatos se fortalece teniendo en cuenta el orden relativo natural de las características en cada lectura individual del sensor; y segundo, se establece un corpus de lugares visitados para promover juntos instancias que están "cerca" la una de la otra desde un punto de vista topológico. Evaluamos nuestras propuestas por separado y conjuntamente en varios conjuntos de datos, con y sin ruido, demostrando mejora en la detección de cierres de lazo para sensores láser 2D, con respecto al estado del arte. Luego abordamos el problema de la calibración del modelo de movimiento para la estimación de la edometría. Dado que nuestra base móvil incluye un sensor exteroceptivo capaz de observar el movimiento de la plataforma, proponemos una nueva formulación que permite estimar los parámetros intrínsecos del modelo cinemático de la plataforma durante el cómputo de la edometría del vehículo. Hemos recurrido a una adaptación de la teoría de reintegración inicialmente desarrollado para unidades inerciales de medida, y aplicado la técnica a nuestro modelo cinemático. El método nos permite, mediante optimización iterativa no lineal, la estimación del valor del radio de las ruedas de forma independiente y de la separación entre las mismas. El método se amplía posteriormente par idéntica de forma simultánea, estos parámetros intrínsecos junto con los parámetros extrínsecos que ubican el sensor láser con respecto al sistema de referencia de la base móvil. El método se valida en simulación y en un entorno real y se muestra que converge hacia los verdaderos valores de los parámetros. El método permite la adaptación de los parámetros intrínsecos del modelo cinemático de la plataforma derivados de cambios físicos durante la operación, tales como el impacto que el cambio de carga sobre la plataforma tiene sobre el diámetro de las ruedas. Como tercer subproblema de navegación, abordamos el reto de planificar trayectorias de movimiento de forma suave. Desarrollamos un método para planificar la trayectoria como una secuencia de configuraciones sobre una spline con n-ésimas derivadas en todos los puntos, independientemente del grupo de Lie considerado. Al ser formulado como un problema de optimización no lineal con múltiples objetivos, es posible agregar funciones de coste al problema de optimización que permitan añadir límites de velocidad o aceleración, evasión de colisiones, etc. El método propuesto es evaluado en dos tareas de planificación de movimiento diferentes, la planificación de trayectorias para una base móvil que evoluciona en la variedad SE(2), y la planificación del movimiento de un brazo robótico cuyo efector final evoluciona en la variedad SE(3). Además, cada tarea se evalúa en escenarios con complejidad de forma incremental, y se muestra un rendimiento comparable o mejor que el estado del arte mientras produce resultados más consistentes. Desde nuestro estudio de la teoría de Lie, desarrollamos una nueva biblioteca de programación llamada “manif”. La biblioteca es de código abierto, está disponible públicamente y se desarrolla siguiendo las buenas prácticas de programación de software. Esta diseñado para que sea fácil de integrar y manipular, y permite flexibilidad de uso mientras se facilita la posibilidad de extenderla más allá de los grupos de Lie inicialmente implementados. Además, la biblioteca se muestra eficiente en comparación con otras soluciones existentes. Por fin, llegamos a la conclusión del estudio de doctorado. Examinamos el trabajo de investigación y trazamos líneas para futuras investigaciones. También echamos un vistazo en los últimos años y compartimos una visión personal y experiencia del desarrollo de un doctorado industrial.Postprint (published version