Plataforma​ ​Robótica​ Para​ Tareas​ de​ Reconstrucción​ Tridimensional​ de​​ Entornos Exteriores

Este artículo presenta los resultados obtenidos en el diseño e implementación de una plataforma robótica todoterreno para la investigación y el desarrollo de aplicaciones de robótica de servicios en entornos exteriores, con especial énfasis en las tareas de reconstrucción tridimensional del entorno. En el documento se describe la estructura mecánica del robot, su arquitectura hardware-software y de comunicaciones y los sistemas perceptivos embarcados. Finalmente, como aportación adicional se presenta un algoritmo diseñado específicamente para llevar a cabo la reconstrucción tridimensional automática y eficiente del entorno, que opera sin necesidad de información previa sobre el mismo. Los resultados avalan la funcionalidad tanto de la plataforma robótica en sí, como de los algoritmos de adquisición y alineación de la información tridimensional, así como de selección automática de las mejores​ ​ posiciones​ ​ de​ ​ escaneo

3D mapping and path planning from range data

This thesis reports research on mapping, terrain classification and path planning. These are classical problems in robotics, typically studied independently, and here we link such problems by framing them within a common proprioceptive modality, that of three-dimensional laser range scanning. The ultimate goal is to deliver navigation paths for challenging mobile robotics scenarios. For this reason we also deliver safe traversable regions from a previously computed globally consistent map. We first examine the problem of registering dense point clouds acquired at different instances in time. We contribute with a novel range registration mechanism for pairs of 3D range scans using point-to-point and point-to-line correspondences in a hierarchical correspondence search strategy. For the minimization we adopt a metric that takes into account not only the distance between corresponding points, but also the orientation of their relative reference frames. We also propose FaMSA, a fast technique for multi-scan point cloud alignment that takes advantage of the asserted point correspondences during sequential scan matching, using the point match history to speed up the computation of new scan matches. To properly propagate the model of the sensor noise and the scan matching, we employ first order error propagation, and to correct the error accumulation from local data alignment, we consider the probabilistic alignment of 3D point clouds using a delayed-state Extended Information Filter (EIF). In this thesis we adapt the Pose SLAM algorithm to the case of 3D range mapping, Pose SLAM is the variant of SLAM where only the robot trajectory is estimated and where sensor data is solely used to produce relative constraints between robot poses. These dense mapping techniques are tested in several scenarios acquired with our 3D sensors, producing impressively rich 3D environment models. The computed maps are then processed to identify traversable regions and to plan navigation sequences. In this thesis we present a pair of methods to attain high-level off-line classification of traversable areas, in which training data is acquired automatically from navigation sequences. Traversable features came from the robot footprint samples during manual robot motion, allowing us to capture terrain constrains not easy to model. Using only some of the traversed areas as positive training samples, our algorithms are tested in real scenarios to find the rest of the traversable terrain, and are compared with a naive parametric and some variants of the Support Vector Machine. Later, we contribute with a path planner that guarantees reachability at a desired robot pose with significantly lower computation time than competing alternatives. To search for the best path, our planner incrementally builds a tree using the A* algorithm, it includes a hybrid cost policy to efficiently expand the search tree, combining random sampling from the continuous space of kinematically feasible motion commands with a cost to goal metric that also takes into account the vehicle nonholonomic constraints. The planer also allows for node rewiring, and to speed up node search, our method includes heuristics that penalize node expansion near obstacles, and that limit the number of explored nodes. The method book-keeps visited cells in the configuration space, and disallows node expansion at those configurations in the first full iteration of the algorithm. We validate the proposed methods with experiments in extensive real scenarios from different very complex 3D outdoors environments, and compare it with other techniques such as the A*, RRT and RRT* algorithms.Esta tesis reporta investigación sobre el mapeo, clasificación de terreno y planificación de trayectorias. Estos son problemas clásicos en robótica los cuales generalmente se estudian de forma independiente, aquí se vinculan enmarcandolos con una modalidad propioceptiva común: un láser de rango 3D. El objetivo final es ofrecer trayectorias de navegación para escenarios complejos en el marco de la robótica móvil. Por esta razón también entregamos regiones transitables en un mapa global consistente calculado previamente. Primero examinamos el problema de registro de nubes de puntos adquiridas en diferentes instancias de tiempo. Contribuimos con un novedoso mecanismo de registro de pares de imagenes de rango 3D usando correspondencias punto a punto y punto a línea, en una estrategia de búsqueda de correspondencias jerárquica. Para la minimización optamos por una metrica que considera no sólo la distancia entre puntos, sino también la orientación de los marcos de referencia relativos. También proponemos FAMSA, una técnica para el registro rápido simultaneo de multiples nubes de puntos, la cual aprovecha las correspondencias de puntos obtenidas durante el registro secuencial, usando inicialmente la historia de correspondencias para acelerar el cálculo de las correspondecias en los nuevos registros de imagenes. Para propagar adecuadamente el modelo del ruido del sensor y del registro de imagenes, empleamos la propagación de error de primer orden, y para corregir el error acumulado del registro local, consideramos la alineación probabilística de nubes de puntos 3D utilizando un Filtro Extendido de Información de estados retrasados. En esta tesis adaptamos el algóritmo Pose SLAM para el caso de mapas con imagenes de rango 3D, Pose SLAM es la variante de SLAM donde solamente se estima la trayectoria del robot, usando los datos del sensor como restricciones relativas entre las poses robot. Estas técnicas de mapeo se prueban en varios escenarios adquiridos con nuestros sensores 3D produciendo modelos 3D impresionantes. Los mapas obtenidos se procesan para identificar regiones navegables y para planificar secuencias de navegación. Presentamos un par de métodos para lograr la clasificación de zonas transitables fuera de línea. Los datos de entrenamiento se adquieren de forma automática usando secuencias de navegación obtenidas manualmente. Las características transitables se captan de las huella de la trayectoria del robot, lo cual permite capturar restricciones del terreno difíciles de modelar. Con sólo algunas de las zonas transitables como muestras de entrenamiento positivo, nuestros algoritmos se prueban en escenarios reales para encontrar el resto del terreno transitable. Los algoritmos se comparan con algunas variantes de la máquina de soporte de vectores (SVM) y una parametrizacion ingenua. También, contribuimos con un planificador de trayectorias que garantiza llegar a una posicion deseada del robot en significante menor tiempo de cálculo a otras alternativas. Para buscar el mejor camino, nuestro planificador emplea un arbol de busqueda incremental basado en el algoritmo A*. Incluimos una póliza de coste híbrido para crecer de manera eficiente el árbol, combinando el muestro aleatorio del espacio continuo de comandos cinemáticos del robot con una métrica de coste al objetivo que también concidera las cinemática del robot. El planificador además permite reconectado de nodos, y, para acelerar la búsqueda de nodos, se incluye una heurística que penaliza la expansión de nodos cerca de los obstáculos, que limita el número de nodos explorados. El método conoce las céldas que ha visitado del espacio de configuraciones, evitando la expansión de nodos en configuraciones que han sido vistadas en la primera iteración completa del algoritmo. Los métodos propuestos se validán con amplios experimentos con escenarios reales en diferentes entornos exteriores, asi como su comparación con otras técnicas como los algoritmos A*, RRT y RRT*.Postprint (published version

A new method for efficient three-dimensional reconstruction of outdoor environments using mobile robots

In this paper, a method for robotic exploration oriented to the automatic three-dimensional (3D) reconstruction of outdoor scenes is presented. The proposed algorithm focuses on optimizing the exploration process by maximizing map quality, while reducing the number of scans required to create a good-quality 3D model of the environment. This is done by using expected information gain, expected model quality, and trajectory cost estimation as criteria for view planning. The method has been tested with an all-terrain mobile robot, which is also described in the paper. This robot is equipped with a SICK LMS 111 laser scanner attached to a spinning turret, which performs quick and complete all-around scans. Different experiments of autonomous 3D exploration show the suitable performance of the proposed exploration algorithm

Road Scene Interpretation for Autonomous Navigation Fusing Stereo Vision and Digital Maps

En esta tesis se ha presentado un método de detección de carretera basado en visión estereoscópica. El aprendizaje automático se utiliza para resolver problemas de visión artificial de muy diferente ámbito, en concreto, la técnica utilizada en este caso es la llamada boosting, la cual utiliza árboles de decisión para clasificar cada píxel de la imagen como zona que pertenece carretera o no. El vector de características utilizado incluye información proporcionada por mapas digitales, visión estéreo y cámaras en color y en escala de grises. La imagen en escala de grises es utilizada para detectar marcas viales, Local Binary Patterns (LBP) y Histogramas de Orientación de Gradiente (HOG). Las cámaras en color son utilizadas para el cálculo de una imagen que es invariante a la iluminación y también para detectar las sombras presentes en la imagen. Además, se ha desarrollado un método basado en el espacio de color HSV para detectar las zonas de vegetación presentes en la escena. Las cámaras estéreo tienen un papel importante porque son las encargadas de proporcionar información 3D al sistema. Algunas de las características que usan dicha información son los vectores normales y los valores de curvatura. Se ha desarrollado un nuevo método para la detección de bordillos. Este novedoso detector de bordillos se basa en el análisis de la curvatura porque describe la variación de la forma de la carretera incluso en presencia de pequeños bordillos. La función es capaz de detectar bordillos de 3 cm de altura incluso hasta 20 metros de distancia, siempre y cuando los píxeles que pertenecen al bordillo estén conectados entre si en la imagen de curvatura. Otros obstáculos como vehículos, muros o arboles son también detectados utilizando visión estereoscópica. Una nueva forma para convertir características que describen limites de carretera en características que describen zonas de carretera se ha descrito en esta tesis. Utiliza marcas viales, bordillos, obstáculos y zonas de vegetación como entradas y tras incluir información adicional del mapa se genera un modelo de carretera. La originalidad de este sistema es el punto desde donde se detecta es espacio libre. %Otros métodos crean lineas desde el punto medio del limite inferior de la imagen hasta que la linea llega a un obstáculo, pero nuestra propuesta utiliza otro punto de vista porque sus lineas empiezan desde el punto de fuga y los valores de las características de van acumulando a lo largo de dicha linea. Otra característica muy importante es la obtenida a partir de los mapas digitales. El objetivo es conseguir un imagen a priori de la forma de la carretera basado en la posición actual del vehículo y la información de las calles proporcionada por el mapa. La incertidumbre sobre los errores de posicionamiento son tenidos en cuenta durante el proceso y la anchura de la carretera es correctamente detectada usando el modelo radial propuesto. Se han realizado múltiples pruebas con diferentes clasificadores y parámetros basados en arboles de decisión para posteriormente elegir el clasificador que mejor funciona en la detección de carretera. El resultado de la clasificación es utilizado en un CRF para filtrar la respuesta y obtener un resultado mas suave. La métrica utilizada para evaluar los clasificadores es el F-score. El sistema es evaluado en el plano imagen, el cual es el método mas común en la literatura. Sin embargo, en un escenario de conducción autónoma, el control se realiza normalmente en una imagen a vista de pájaro de la escena. Se ha adoptado el mismo método de evaluación que se utiliza en la comparador internacional de algoritmos KITTI para poder comparar nuestros resultados con otros algoritmos

Environmental maps generation using LIDAR - 3D perception system

Orientador: Pablo Siqueira MeirellesTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: Este trabalho apresenta o estudo e desenvolvimento de um Sistema de Percepção baseado na utilização de sensores telemétricos tipo LIDAR. Uma plataforma de escaneamento a laser em três dimensões LMS-3D é construída a fim da navegação autônoma de robôs. A área navegável é obtida a partir de mapas telemétricos, caracterizados com algoritmos de grades de ocupação (GO) (em duas dimensões com a terceira colorida e 3D) e com o cálculo de gradientes vetoriais. Dois tipos de áreas navegáveis são caracterizadas: (i) área de navegação primária representada por uma área livre dentro da GO; e (ii) área de navegação continua representada pela soma das áreas continuas e gradientes classificados com um determinado limiar. Este limiar indica se uma área é passível de navegação considerando as características do robô. A proposta foi avaliada experimentalmente em ambiente real, contemplou a detecção de obstáculos e a identificação de descontinuidadesAbstract: This thesis was proposed to demonstrate the study and development of a Perception System based on the utilization of a LIDAR telemetric sensors. It was proposed to create a LMS-3D three dimension laser scanning platform, in an attempt to promote the Autonomous Robot Navigation. The scanned area was obtained based on telemetric maps, which was characterized with Occupancy Grid algorithms (OG) (in two dimensions with the third colored and 3D) and Vector Gradients calculation. Two different navigation areas were characterized: (i) primary area of navigation, that represents the free area inside a OG, and (ii) continuous navigation area, that represents the navigated area composed by the sum of continuous areas and the gradients classified by a determined threshold, which indicates the possible navigated area, based on the robot characteristics. The proposition of this thesis was evaluated in a real environment and was able to identify the obstacles detection and also the discontinuanceDoutoradoMecanica dos Sólidos e Projeto MecanicoDoutor em Engenharia Mecânic

Towards mapping of cities

Abstract — Map learning is a fundamental task in mobile robotics because maps are required for a series of high level applications. In this paper, we address the problem of building maps of large-scale areas like villages or small cities. We present our modified car-like robot which we use to acquire the data about the environment. We introduce our localization system which is based on an information filter and is able to merge the information obtained by different sensors. We furthermore describe out mapping technique that is able to compactly model three-dimensional scenes and allows us efficient and accurate incremental map learning. We additionally apply a global optimization techniques in order to accurately close loops in the environment. Our approach has been implemented and deeply tested on a real car equipped with a series of sensors. Experiments described in this paper illustrate the accuracy and efficiency of the presented techniques. I