Localization in Unstructured Environments: Towards Autonomous Robots in Forests with Delaunay Triangulation

Autonomous harvesting and transportation is a long-term goal of the forest industry. One of the main challenges is the accurate localization of both vehicles and trees in a forest. Forests are unstructured environments where it is difficult to find a group of significant landmarks for current fast feature-based place recognition algorithms. This paper proposes a novel approach where local observations are matched to a general tree map using the Delaunay triangularization as the representation format. Instead of point cloud based matching methods, we utilize a topology-based method. First, tree trunk positions are registered at a prior run done by a forest harvester. Second, the resulting map is Delaunay triangularized. Third, a local submap of the autonomous robot is registered, triangularized and matched using triangular similarity maximization to estimate the position of the robot. We test our method on a dataset accumulated from a forestry site at Lieksa, Finland. A total length of 2100\,m of harvester path was recorded by an industrial harvester with a 3D laser scanner and a geolocation unit fixed to the frame. Our experiments show a 12\,cm s.t.d. in the location accuracy and with real-time data processing for speeds not exceeding 0.5\,m/s. The accuracy and speed limit is realistic during forest operations

Recognition of Planar Segments in Point Cloud Based on Wavelet Transform

Within industrial automation systems, three-dimensional (3-D) vision provides very useful feedback information in autonomous operation of various manufacturing equipment (e.g., industrial robots, material handling devices, assembly systems, and machine tools). The hardware performance in contemporary 3-D scanning devices is suitable for online utilization. However, the bottleneck is the lack of real-time algorithms for recognition of geometric primitives (e.g., planes and natural quadrics) from a scanned point cloud. One of the most important and the most frequent geometric primitive in various engineering tasks is plane. In this paper, we propose a new fast one-pass algorithm for recognition (segmentation and fitting) of planar segments from a point cloud. To effectively segment planar regions, we exploit the orthonormality of certain wavelets to polynomial function, as well as their sensitivity to abrupt changes. After segmentation of planar regions, we estimate the parameters of corresponding planes using standard fitting procedures. For point cloud structuring, a z-buffer algorithm with mesh triangles representation in barycentric coordinates is employed. The proposed recognition method is tested and experimentally validated in several real-world case studies

Challenges and solutions for autonomous ground robot scene understanding and navigation in unstructured outdoor environments: A review

The capabilities of autonomous mobile robotic systems have been steadily improving due to recent advancements in computer science, engineering, and related disciplines such as cognitive science. In controlled environments, robots have achieved relatively high levels of autonomy. In more unstructured environments, however, the development of fully autonomous mobile robots remains challenging due to the complexity of understanding these environments. Many autonomous mobile robots use classical, learning-based or hybrid approaches for navigation. More recent learning-based methods may replace the complete navigation pipeline or selected stages of the classical approach. For effective deployment, autonomous robots must understand their external environments at a sophisticated level according to their intended applications. Therefore, in addition to robot perception, scene analysis and higher-level scene understanding (e.g., traversable/non-traversable, rough or smooth terrain, etc.) are required for autonomous robot navigation in unstructured outdoor environments. This paper provides a comprehensive review and critical analysis of these methods in the context of their applications to the problems of robot perception and scene understanding in unstructured environments and the related problems of localisation, environment mapping and path planning. State-of-the-art sensor fusion methods and multimodal scene understanding approaches are also discussed and evaluated within this context. The paper concludes with an in-depth discussion regarding the current state of the autonomous ground robot navigation challenge in unstructured outdoor environments and the most promising future research directions to overcome these challenges

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

A 3D descriptor to detect task-oriented grasping points in clothing

© 2016. This manuscript version is made available under the CC-BY-NC-ND 4.0 license http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/Manipulating textile objects with a robot is a challenging task, especially because the garment perception is difficult due to the endless configurations it can adopt, coupled with a large variety of colors and designs. Most current approaches follow a multiple re-grasp strategy, in which clothes are sequentially grasped from different points until one of them yields a recognizable configuration. In this work we propose a method that combines 3D and appearance information to directly select a suitable grasping point for the task at hand, which in our case consists of hanging a shirt or a polo shirt from a hook. Our method follows a coarse-to-fine approach in which, first, the collar of the garment is detected and, next, a grasping point on the lapel is chosen using a novel 3D descriptor. In contrast to current 3D descriptors, ours can run in real time, even when it needs to be densely computed over the input image. Our central idea is to take advantage of the structured nature of range images that most depth sensors provide and, by exploiting integral imaging, achieve speed-ups of two orders of magnitude with respect to competing approaches, while maintaining performance. This makes it especially adequate for robotic applications as we thoroughly demonstrate in the experimental section.Peer ReviewedPostprint (author's final draft