On the Uncertainty in Active SLAM: Representation, Propagation and Monotonicity

La localización y mapeo simultáneo activo (SLAM activo) ha recibido mucha atención por parte de la comunidad de robótica por su relevancia en aplicaciones de robot móviles. El objetivo de un algoritmo de SLAM activo es planificar la trayectoria del robot para maximizar el área explorada y minimizar la incertidumbre asociada con la estimación de la posición del robot. Durante la fase de exploración de un algoritmo de SLAM, donde el robot navega en una región previamente desconocida, la incertidumbre asociada con la localización del robot crece sin límites. Solo después de volver a visitar regiones previamente conocidas, se espera una reducción en la incertidumbre asociada con la localización del robot mediante la detección de cierres de bucle. Esta tesis doctoral se centra en la importancia de representar y cuantificar la incertidumbre para calcular correctamente la confianza asociada con la estimación de la localización del robot en cada paso de tiempo a lo largo de su recorrido y, por lo tanto, decidir la trayectoria correcta de acuerdo con el objetivo de SLAM activo.En la literatura, se han propuesto fundamentalemente dos tipos de modelos de representación de la incertidumbre: absoluta y diferencial. En representación absoluta, la información sobre la incertidumbre asociada con la localización del robot está representada por una función de distribución de probabilidad, generalmente gausiana, sobre las variables de localización absoluta con respecto a una referencia base elegida. La estimación de la posición del robot está dada por la esperanza de las variables asociadas con la localización y la incertidumbre por su matriz de covarianza asociada. La representación diferencial utiliza una representación local de la incertidumbre, la posición estimada del robot se representa mediante la mejor aproximación de la posición absoluta y el error de estimación se representa localmente mediante un vector diferencial. Este vector generalmente también está representado por una función de distribución de probabilidad gausiana. Representaciones equivalentes al modelo diferencial han utilizado las herramientas de Grupos de Lie y Álgebras de Lie para representar la incertidumbre. Además de estos modelos, existen diferentes formas de representar la posición y orientación de la posición del robot, ángulos de Euler, cuaterniones y transformaciones homogéneas.Los enfoques más comunes para cuantificar la incertidumbre en SLAM se basan en criterios de optimalidad con el objetivo de cuantificar el mapa y la incertidumbre de la posición del robot: A-opt (traza de la matriz de covarianza, o suma de sus autovalores), D-opt (determinante de la matriz de covarianza, o producto de sus autovalores) y E-opt (criterio del mayor autovalor). Alternativamente, otros algoritmos de SLAM activo, basados en la Teoría de la Información, se basan en el uso de la entropía de Shannon para seleccionar acciones que lleven al robot al objetivo seleccionado. En un escenario de SLAM activo, garantizar la monotonicidad de estos criterios en la toma de decisiones durante la exploración, es decir, cuantificar correctamente que la incertidumbre encapsulada en una matriz de covarianza está aumentando, es un paso esencial para tomar decisiones correctas. Como ya se ha mencionado, durante la fase de exploración la incertidumbre asociada con la localización del robot aumenta. Por lo tanto, si no se preserva la monotonicidad de los criterios considerados, el sistema puede seleccionar trayectorias o caminos que creen falsamente que conducen a una menor incertidumbre de la localización del robot.En esta tesis, revisamos el trabajo relacionado sobre representación y propagación de la incertidumbre de la posición del robot en los diferentes modelos propuestos en la literatura. Además, se lleva a cabo un análisis de la incertidumbre representada localmente con un vector diferencial y la incertidumbre representada usando grupos de Lie. Investigamos la monotonicidad de diferentes criterios para la toma de decisiones, tanto en 2D como en 3D, dependiendo de la representación de la incertidumbre y de la representación de la orientación del robot. Nuestra conclusión fundamental es que la representación de la incertidumbre sobre grupos de Lie y usando un vector diferencial son similares e independientes de la representación utilizada para la parte rotacional de la posición del robot. Esto se debe a que la incertidumbre se representa localmente en el espacio de las transformaciones diferenciales que se corresponde con el álgebra de Lie del grupo euclidiano especial SE(n). Sin embargo, en el espacio tridimensional, la estimación de la localización del robot depende de las diferentes formas de representación de la parte rotacional. Por lo tanto, una forma adecuada de manipular conjuntamente la estimación y la incertidumbre del robot es utilizando la teoría de grupos de Lie debido a que es una representación que garantiza propiedades tales como una representación mínima y libre de singularidades en los ángulos de rotación. Analíticamente, demostramos que, utilizando representaciones diferenciales para la propagación de la incertidumbre, la monotonicidad se conserva para todos los criterios de optimalidad, A-opt, D-opt y E-opt y para la entropía de Shannon. También demostramos que la monotonicidad no se cumple para ninguno de ellos en representaciones absolutas usando ángulos Roll-Pitch-Yaw y Euler. Finalmente, mostramos que al usar cuaterniones unitarios en representaciones absolutas, los únicos criterios que preservan la monotonicidad son D-opt y la entropía de Shannon.Estos hallazgos pueden guiar a los investigadores de SLAM activo a seleccionar adecuadamente un modelo de representación de la incertidumbre, de modo que la planificación de trayectorias y los algoritmos de exploración puedan evaluar correctamente la evolución de la incertidumbre asociada a la posición del robot.Active Simultaneous Localization and Mapping (Active SLAM) has received a lot of attention from the robotics community for its relevance in mobile robotics applications. The objective of an active SLAM algorithm is to plan ahead the robot motion in order to maximize the area explored and minimize the uncertainty associated with the estimation, all within a time and computation budget. During the exploration phase of a SLAM algorithm, where the robot navigates in a previously unknown region, the uncertainty associated with the robot's localization grows unbounded. Only after revisiting previously known regions a reduction in the robot's localization uncertainty is expected by detecting loop-closures. This doctoral thesis focuses on the paramount importance of representing and quantifying uncertainty to correctly report the associated confidence of the robot's location estimate at each time step along its trajectory and therefore deciding the correct course of action in an active SLAM mission. Two fundamental types of models of probabilistic representation of the uncertainty have been proposed in the literature: absolute and dfferential. In absolute representations, the information about the uncertainty in the location of the robot's pose is represented by a probability distribution function, usually Gaussian, over the variables of the absolute location with respect to a chosen base reference. The estimated location is given by the expected location variables and the uncertainty by its associated covariance matrix. Differential representations use a local representation of the uncertainty, the estimated location of the robot is represented by the best approximation of the absolute location and the estimation error is represented locally by a differential location vector. This vector is usually also represented by a Gaussian probability distribution function. Equivalent representations to differential models have used the tools of Lie groups and Lie algebras to represent uncertainties. In addition to uncertainty models, there are different ways to represent the position and orientation of the robot's pose, Euler angles, quaternions and homogeneous transformations. The most common approaches to quantifying uncertainty in SLAM are based on optimality criteria which aim at quantifying the map and robot's pose uncertainty, namely A-opt (trace of the covariance matrix, or sum of its eigenvalues), D-opt (determinant of the covariance matrix, or product of its eigenvalues) and E-opt (largest eigenvalue) criteria. Alternatively, other active SLAM algorithms, based on Information Theory, rely on the use of the Shannon's entropy to select courses of action for the robot to reach the commanded goal location. In an active SLAM scenario, guaranteeing monotonicity of these decision making criteria during exploration, i.e. quantifying correctly that the uncertainty encapsulated in a covariance matrix is increasing, is an essential step towards making correct decisions. As already mentioned, during exploration the uncertainty associated with the robot's localization increases. Therefore, if monotonicity of the criteria considered is not preserved, the system might select courses of action or paths that it falsely believes lead to less uncertainty in the robot. In this thesis, we review related work about representation and propagation of the uncertainty of robot's pose and present a survey of different types of models proposed in the literature. Additionally, an analysis of the uncertainty represented with a differential uncertainty vector and the uncertainty represented on Lie groups is carried out. We investigate the monotonicity of different decision making criteria, both in 2D and 3D, depending on the representation of uncertainty and the orientation of the robot's pose. Our fundamental conclusion is that uncertainty representation over Lie groups and using differential location vectors are similar and independent of the representation used for rotational part of the robot's pose. This is due to the uncertainty is represented locally in the space of differential transformations for translation and rotation that correspond with the Lie algebra of special Euclidean group SE(n). However, in 3-dimensional space, the homogeneous transformation associated to the approximation of the real location depend on the different ways of representation the rotational part. Therefore, a proper way to jointly manipulating the estimation and uncertainty of the pose is to use the theory of Lie groups due to it is a representation to guarantee properties such as a minimal representation and free of singularities in rotation angles. We analytically show that, using differential representations to propagate spatial uncertainties, monotonicity is preserved for all optimality criteria, A-opt, D-opt and E-opt and for Shannon's entropy. We also show that monotonicity does not hold for any of them in absolute representations using Roll-Pitch-Yaw and Euler angles. Finally, we show that using unit quaternions in absolute representations, the only criteria that preserve monotonicity are D-opt and Shannon's entropy. These findings can guide active SLAM researchers to adequately select a representation model for uncertainty, so that path planning and exploration algorithms can correctly assess the evolution of location uncertainty.<br /

Profundización en metodologías y espacios docentes innovadores

Fac. de FilologíaFALSEsubmitte

Desarrollo y puesta en práctica de recursos educativos digitales para laboratorios de idiomas

Los laboratorios de idiomas son una herramienta de gran valor en el apoyo a la enseñanza de lenguas. En una Facultad como la de Filología, donde se enseñan más de XX lenguas, este tipo de laboratorios se ha convertido en algo imprescindible. Los laboratorios de idiomas facilitan la enseñanza mediante el acceso a recursos educativos punteros. Sin embargo, estos mismos laboratorios exigen un esfuerzo por parte del profesorado, ya que su uso exige una preparación específica no siempre rápidamente asimilable. Por este motivo, desde el vicedecanato de innovación y tecnologías de Facultad de Filología se ofrece apoyo constante al profesorado por lo que respecta tanto a la formación en el uso de los laboratorios como a la resolución de problemas específicos que surgen durante la utilización de los mismos. La formación en el uso de los laboratorios de idiomas se realiza mediante talleres impartidos por el técnico de laboratorios de la Facultad. Estos suelen tener lugar unas dos veces al año. Adicionalmente, como ocurrió en diciembre de 2014, la empresas Roycan, suministradora del software utilizado en los laboratorios de la Facultad, ofrece talleres más exhaustivos. A pesar de los esfuerzos realizados tanto desde el vicedecanato como, sobre todo, por parte de los profesores, es una evidencia que los laboratorios de idiomas tienen un potencial de explotación mayor que el uso que se les da en la actualidad. Aunque son muchos los profesores que los utilizan, otros tantos que desearían también utilizarlos se sienten intimidados por el desafío tecnológico que ello implica. Esto podría solucionarse no sólo mediante un plan formativo en el uso de laboratorios de idiomas de mayor calado que el ahora existente sino también mediante la creación de un banco de recursos educativos reutilizables por los usuarios de los laboratorios de idiomas. Lo primero, el plan formativo, serviría para allanar las dificultades tecnológicas intrínsecas al uso de los laboratorios; lo segundo, la creación del banco de recursos, serviría, entre otras cosas, para que el acceso de nuevos usuarios a los laboratorios resultara más fácil desde un punto de vista pedagógico, ya que la existencia de recursos concebidos específicamente para los laboratorios les serviría como guía inicial, a partir de la cual puedan ellos empezar a crear sus propios materiales, idealmente también reutilizables por otros. Este proyecto es continuación de una de las líneas que nos hemos marcado institucionalmente en la Facultad de Filología con respecto a la innovación tecnológica: la creación de material didáctico digital de calidad y su explotación en la docencia. En previos PIMCD se abordó: 1) la elaboración de una recomendación de calidad (PIMCD 236-2011/2012; resultados en: http://eprints.ucm.es/12533/) que ha derivado en un proyecto de AENOR. 2) la creación de un repositorio institucional con una pequeña colección de materiales de referencia de buenas prácticas (PIMCD 268-2010/2011; http://mediaserver.filol.ucm.es). 3) la explotación de los materiales de referencia en cursos y módulos de cursos virtuales (PIMCD 231-2013; http://mediaserver.filol.ucm.es/materiales; y PIMCD 278-2014; resultados disponibles en el canal YouTube educativo de la Facultad de Filología). Asimismo, la Facultad de Filología ha venido colaborando con la empresa Roycan mediante diversos convenios firmados en los últimos años. Con motivo del presente proyecto se establecerá otro convenio, actualmente en fase de preparación, que formalice y establezca las bases de la presente colaboración.Oficina para la Calidad UCMBibliotecaFac. de Ciencias Económicas y EmpresarialesFALSEsubmitte

Assessment of plasma chitotriosidase activity, CCL18/PARC concentration and NP-C suspicion index in the diagnosis of Niemann-Pick disease type C : A prospective observational study

Niemann-Pick disease type C (NP-C) is a rare, autosomal recessive neurodegenerative disease caused by mutations in either the NPC1 or NPC2 genes. The diagnosis of NP-C remains challenging due to the non-specific, heterogeneous nature of signs/symptoms. This study assessed the utility of plasma chitotriosidase (ChT) and Chemokine (C-C motif) ligand 18 (CCL18)/pulmonary and activation-regulated chemokine (PARC) in conjunction with the NP-C suspicion index (NP-C SI) for guiding confirmatory laboratory testing in patients with suspected NP-C. In a prospective observational cohort study, incorporating a retrospective determination of NP-C SI scores, two different diagnostic approaches were applied in two separate groups of unrelated patients from 51 Spanish medical centers (n = 118 in both groups). From Jan 2010 to Apr 2012 (Period 1), patients with ≥2 clinical signs/symptoms of NP-C were considered 'suspected NP-C' cases, and NPC1/NPC2 sequencing, plasma chitotriosidase (ChT), CCL18/PARC and sphingomyelinase levels were assessed. Based on findings in Period 1, plasma ChT and CCL18/PARC, and NP-C SI prediction scores were determined in a second group of patients between May 2012 and Apr 2014 (Period 2), and NPC1 and NPC2 were sequenced only in those with elevated ChT and/or elevated CCL18/PARC and/or NP-C SI ≥70. Filipin staining and 7-ketocholesterol (7-KC) measurements were performed in all patients with NP-C gene mutations, where possible. In total across Periods 1 and 2, 10/236 (4%) patients had a confirmed diagnosis o NP-C based on gene sequencing (5/118 [4.2%] in each Period): all of these patients had two causal NPC1 mutations. Single mutant NPC1 alleles were detected in 8/236 (3%) patients, overall. Positive filipin staining results comprised three classical and five variant biochemical phenotypes. No NPC2 mutations were detected. All patients with NPC1 mutations had high ChT activity, high CCL18/PARC concentrations and/or NP-C SI scores ≥70. Plasma 7-KC was higher than control cut-off values in all patients with two NPC1 mutations, and in the majority of patients with single mutations. Family studies identified three further NP-C patients. This approach may be very useful for laboratories that do not have mass spectrometry facilities and therefore, they cannot use other NP-C biomarkers for diagnosis

Anales de Edafología y Agrobiología Tomo 41 Número 9-10

Suelos. Características petroquímicas y micromorfológicas de Haploxeralfs, por P. Arévalo. J. Gallardo y J. Benayas.-- Determinación de manganeso total en suelos, por J. Moreno Caselles, M. Guillén y M. Romero.-- Rendolles de la Sierra de María (Almería), por L J. Alias y J. Martínez.-- Estudio de tres perfiles de suelos de La Alpujarra, por Barahona. E., García Chicano. J. L. Guardiola. J. L. lriarte. A, Pérez-Pujalte, A. y Quirantes, J.-- Detección de concordancias fisonómico-edáficas por J. M. Gómez. R. Rodríguez González. A. García Miranda y C. de Hoyos Alonso.-- Suelos y sedimentos de zonas semiáridas, por A. García Rodríguez, J. Forteza Bonnin y L F. Lorenzo Martín.-- Suelos sobre jumillita de la Sierra de las Cabras (Albacete), por Joaquín Hernández Bastida, María Teresa Fernández Tapia y Francisco Alcaraz Ariza.-- Estudio microscópico de aridisoles de las Islas Canarias, por A. Rodríguez Rodríguez, M. C. Pérez Angles. M. C. Díez de la Lastra Bosch y E. Fernández Caldas.-- El material original: propiedades de los suelos de Galicia, por F. Macias. R. M. Calvo, C. García. E. García-Rodeja y B. Silva.-- Las sierras de Queixa e invernadeiro y sus estribaciones, por Grupo de Edafólogos de Santiago.-- Suelos forestales de la cordillera costero-catalana, por A. Escuredo. V. R. Vallejo y J. Bech.-- Materia orgánica de suelos forestales, por A. Escuredo. V. Vallejo y J. Bech.--Dificultades en el empleo del sistema "USDA-Soil Taxonomy", por Carlos Roquero de Laburu.-- Nematodos fitoparásitos de la superfamilia "criconematoidea", por A. Bello y Ma. Paz Lara.—Silicatos. Retención del diazinon por montmorillonita, sepiolita y caolinita, por G. Dios Cancela, S. González García y M. Martín Aguilar.—Geoquímica. Alteración de minerales de estaño, por Guijarro, J. Casas, J. y Hoyos, M.A.—Nutrición y Fisiología Vegetal.-- Capacidad fotosintética de maíz, por U. Velázquez, M. Lasaña y J. Cardus.-- El alerce en Chile. II. Su nutrición mineral, por M. Lachica, C. González O. y M. Baez. C. Anomalías por deficiencias de Ca o de Mg en raíces de plantas de zea mays L., por José Manuel Pozuelo Guanche.-- Competencia de avena sterilis L .. por R. González Ponce.-- Abcisión de las hojas de phaseolus vulgaris, por Ana María Vieitez y María Luisa Vieitez. El castaño y su resistencia a phytophthora cinnamomi y Ph. cambivora, por Ernesto Vieitez, María Luisa Vieitez y Ana María Vieitez.-- Observaciones sobre el injerto juvenil.del castaño, por María Luisa Vieitez y Ana María Vieitez.-- Crecimiento y nutrición del trébol violeta, por J. Arines y R. Fábregas.-- La proliferación celular en meristemos. por G. Giménez-Manín, J. F. López-Sáez, A. González-Fernández. C. de la Torre y M. H. Navarrete.—Microbiología.-- Formaciones quiméricas anómalas en cultivos bacterianos, por Román de Vicente. Análisis.-- Determinación de fenoles y formas de N en aguas, por Bolarin, M. C. Romero, M. y Caro, M.-- Agua Reutilización de aguas y lodos residuales. I., por Sa/got, M. y Cardus, J. II por Felipo M. T., Garau, M. A., Pascual, M. D. y Cardus, J.-- Ecología. Aspectos ecológicos de sotos y riberas, por Pedro Montserrat Recoder.-- Control Sanitario.Evolución de clorobencilato en brotes de limonero, por J. Ma. Abrisqueta, A. Onuño, J. Gómez y A. Hernansáez.-- Riesgos de los productos químicos potencialmente tóxicos, por Eugenio Laborda. Eduardo de la Peña y Elina Valcarece.-- Geografía. Otra crítica del neomalthusianismo, por María Isabel Bodega Fernández, Sici/ia Gutiérrez Ronco, María Asunción Martín Lou, Antonio Higueras Arnal y José Manuel Casas Torres.-- Notas.-- BibligrafíaPeer reviewe