A Constant-Time Algorithm for Vector Field SLAM using an Exactly Sparse Extended Information Filter

Abstract — Designing a localization system for a low-cost robotic consumer product poses a major challenge. In previous work, we introduced Vector Field SLAM [5], a system for simultaneously estimating robot pose and a vector field induced by stationary signal sources present in the environment. In this paper we show how this method can be realized on a low-cost embedded processing unit by applying the concepts of the Exactly Sparse Extended Information Filter [15]. By restricting the set of active features to the 4 nodes of the current cell, the size of the map becomes linear in the area explored by the robot while the time for updating the state can be held constant under certain approximations. We report results from running our method on an ARM 7 embedded board with 64 kByte RAM controlling a Roomba 510 vacuum cleaner in a standard test environment. NS spot1 X (sensor units) Spot1 X readings Node X1 estimate

Bootstrapping bilinear models of robotic sensorimotor cascades

We consider the bootstrapping problem, which consists in learning a model of the agent's sensors and actuators starting from zero prior information, and we take the problem of servoing as a cross-modal task to validate the learned models. We study the class of bilinear dynamics sensors, in which the derivative of the observations are a bilinear form of the control commands and the observations themselves. This class of models is simple yet general enough to represent the main phenomena of three representative robotics sensors (field sampler, camera, and range-finder), apparently very different from one another. It also allows a bootstrapping algorithm based on hebbian learning, and that leads to a simple and bioplausible control strategy. The convergence properties of learning and control are demonstrated with extensive simulations and by analytical arguments

A group-theoretic approach to formalizing bootstrapping problems

The bootstrapping problem consists in designing agents that learn a model of themselves and the world, and utilize it to achieve useful tasks. It is different from other learning problems as the agent starts with uninterpreted observations and commands, and with minimal prior information about the world. In this paper, we give a mathematical formalization of this aspect of the problem. We argue that the vague constraint of having "no prior information" can be recast as a precise algebraic condition on the agent: that its behavior is invariant to particular classes of nuisances on the world, which we show can be well represented by actions of groups (diffeomorphisms, permutations, linear transformations) on observations and commands. We then introduce the class of bilinear gradient dynamics sensors (BGDS) as a candidate for learning generic robotic sensorimotor cascades. We show how framing the problem as rejection of group nuisances allows a compact and modular analysis of typical preprocessing stages, such as learning the topology of the sensors. We demonstrate learning and using such models on real-world range-finder and camera data from publicly available datasets

Humanoid Localization on Robocup Field using Corner Intersection and Geometric Distance Estimation

In the humanoid competition field, identifying landmarks for localizing robots in a dynamic environment is of crucial importance. By convention, state-of-the-art humanoid vision systems rely on poles located outside the middle of the field as an indicator for generating landmarks. However, in compliance with the recent rules of Robocup, the middle pole has been discarded to deliberately provide less prior information for the humanoid vision system to strategize its winning tactics on the field. Previous localization method used middle poles as a landmark. Therefore, robot localization tasks should apply accurate corner and distance detection simultaneously to locate the positions of goalposts. State-of-the-art corner detection algorithms such as the Harris corner and mean projection transformation are excessively sensitive to image noise and suffer from high processing times. Moreover, despite their prevalence in robot motor log and fish-eye lens calibration for humanoid localization, current distance estimation techniques nonetheless remain highly dependent on multiple poles as vision landmarks, apart from being prone to huge localization errors. Thus, we propose a novel localization method consisting of a proposed corner extraction algorithm, namely, the contour intersection algorithm (CIA), and a distance estimation algorithm, namely, analytic geometric estimation (AGE), for efficiently identifying salient goalposts. At first, the proposed CIA algorithm, which is based on linear contour intersection using a projection matrix, is utilized to extract corners of a goalpost after performing an adaptive binarization process. Then, these extracted corner features are fed into our proposed AGE algorithm to estimate the real-word distance using analytic geometry methods. As a result, the proposed localization vision system and the state-of-the-art method obtained approximately 3-4 and 7-23 centimeter estimation errors, respectively. This demonstrates the capability of the proposed localization algorithm to outperform other methods, which renders it more effective in indoor task localization for further actions such as attack or defense strategies

A hybrid visual-based SLAM architecture: local filter-based SLAM with keyframe-based global mapping

This work presents a hybrid visual-based SLAM architecture that aims to take advantage of the strengths of each of the two main methodologies currently available for implementing visual-based SLAM systems, while at the same time minimizing some of their drawbacks. The main idea is to implement a local SLAM process using a filter-based technique, and enable the tasks of building and maintaining a consistent global map of the environment, including the loop closure problem, to use the processes implemented using optimization-based techniques. Different variants of visual-based SLAM systems can be implemented using the proposed architecture. This work also presents the implementation case of a full monocular-based SLAM system for unmanned aerial vehicles that integrates additional sensory inputs. Experiments using real data obtained from the sensors of a quadrotor are presented to validate the feasibility of the proposed approachPostprint (published version

Variabilitätsmodellierung in Kartographierungs- und Lokalisierungsverfahren

In der heutigen Zeit spielt die Automatisierung eine immer bedeutendere Rolle, speziell im Bereich der Robotik entwickeln sich immer neue Einsatzgebiete, in denen der Mensch durch autonome Fahrzeuge ersetzt wird. Dabei orientiert sich der Großteil der eingesetzten Roboter an Streckenmarkierungen, die in den Einsatzumgebungen installiert sind. Bei diesen Systemen gibt es jedoch einen hohen Installationsaufwand, was die Entwicklung von Robotersystemen, die sich mithilfe ihrer verbauten Sensorik orientieren, vorantreibt. Es existiert zwar eine Vielzahl an Robotern die dafür verwendet werden können. Die Entwicklung der Steuerungssoftware ist aber immer noch Teil der Forschung. Für die Steuerung wird eine Umgebungskarte benötigt, an der sich der Roboter orientieren kann. Hierfür eignen sich besonders SLAM-Verfahren, die simultanes Lokalisieren und Kartographieren durchführen. Dabei baut der Roboter während seiner Bewegung durch den Raum mithilfe seiner Sensordaten eine Umgebungskarte auf und lokalisiert sich daran, um seine Position auf der Karte exakt zu bestimmen. Im Laufe dieser Arbeit wurden über 30 verschiedene SLAM Implementierungen bzw. Umsetzungen gefunden die das SLAM Problem lösen. Diese sind jedoch größtenteils an spezielle Systembzw. Umgebungsvoraussetzungen angepasste eigenständige Implementierungen. Es existiert keine öffentlich zugängliche Übersicht, die einen Vergleich aller bzw. des Großteils der Verfahren, z.B. in Bezug auf ihre Funktionsweise, Systemvoraussetzungen (Sensorik, Roboterplattform), Umgebungsvoraussetzungen (Indoor, Outdoor, ...), Genauigkeit oder Geschwindigkeit, gibt. Viele dieser SLAMs besitzen Implementierungen und Dokumentationen in denen ihre Einsatzgebiete, Testvoraussetzungen oder Weiterentwicklungen im Vergleich zu anderen SLAMVerfahren beschrieben werden, was aber bei der großen Anzahl an Veröffentlichungen das Finden eines passenden SLAM-Verfahrens nicht erleichtert. Bei einer solchen Menge an SLAM-Verfahren und Implementierungen stellen sich aus softwaretechnologischer Sicht folgende Fragen: 1. Besteht die Möglichkeit einzelne Teile des SLAM wiederzuverwenden? 2. Besteht die Möglichkeit einzelne Teile des SLAM dynamisch auszutauschen? Mit dieser Arbeit wird das Ziel verfolgt, diese beiden Fragen zu beantworten. Hierfür wird zu Beginn eine Übersicht über alle gefundenen SLAMs aufgebaut um diese in ihren grundlegenden Eigenschaften zu unterscheiden. Aus der Vielzahl von Verfahren werden die rasterbasierten Verfahren, welche Laserscanner bzw. Tiefenbildkamera als Sensorik verwenden, als zu untersuchende Menge ausgewählt. Diese Teilmenge an SLAM-Verfahren wird hinsichtlich ihrer nichtfunktionalen Eigenschaften genauer untersucht und versucht in Komponenten zu unterteilen, welche in mehreren verschiedenen Implementierungen wiederverwendet werden können. Anhand der extrahierten Komponenten soll ein Featurebaum aufgebaut werden, der dem Anwender einen Überblick und die Möglichkeit bereitstellt SLAM-Verfahren nach speziellen Kriterien (Systemvoraussetzungen, Umgebungen, ...) zusammenzusetzen bzw. zur Laufzeit anzupassen. Dafür müssen die verfügbaren SLAM Implementierungen und dazugehörigen Dokumentationen in Bezug auf ihre Gemeinsamkeiten und Unterschiede analysiert werden

Aerial Simultaneous Localization and Mapping Using Earth\u27s Magnetic Anomaly Field

Aerial magnetic navigation has been shown to be a viable GPS-alternative, but requires a prior-surveyed magnetic map. The miniaturization of atomic magnetometers extends their application to small aircraft at low altitudes where magnetic maps are especially inaccurate or unavailable. This research presents a simultaneous localization and mapping (SLAM) approach to constrain the drift of an inertial navigation system (INS) without the need for a magnetic map. The filter was demonstrated using real measurements on a professional survey flight, and on an AFIT unmanned aerial vehicle