A SLAM system based on Hidden Markov Models

Capa

Citar

Texto integral

Resumo

Methods of simultaneous localization and mapping (SLAM) are a solution for the navigation problem of service robots. We present a graph SLAM system based on Hidden Markov Models (HMM) where the sensor readings are represented with different symbols using a number of clustering techniques; then, the symbols are fused as a single prediction, to improve the accuracy rate, using a Dual HMM. Our system’s versatility allows to work with different types of sensors or fusion of sensors, and to implement, either active or passive, graph SLAM. A graph-SLAM approach proposed by the International’s Karto Robotics in Cartographer, the nodes represent the pose of the robot and the edges the constraints between them. Nodes are usually defined according to contiguous nodes except when loop closures are detected where constraints for non-contiguous nodes are introduced, which corrects the whole graph. Detecting loop closure is not trivial; in the ROS implementation, scan matching is performed by Sparse Pose Adjustment (SPA). Cartographer uses an occupancy map in order to estimate the position where the map representation is done via Gmapping. The Toyota HSR (Human Support Robot) robot was used to generate the data set in both real and simulated competition environments. In our SLAM representation, we have wheel odometry estimate according to initial position of the robot, a Hokuyo 2D Lidar scan for observations, and a signal control and a world representation is estimated. We tested our system in the kidnapped robot problem by training a representation, improving it online, and, finally, solving the SLAM problem.

Sobre autores

O. Fuentes

National Autonomous University of Mexico (UNAM)

Autor responsável pela correspondência
Email: oscarfuentesfoto@gmail.com
Sirkuito Eskolar, Av. Universidad 3000

J. Savage

National Autonomous University of Mexico (UNAM)

Email: robotssavage@gmail.com
Sirkuito Eskolar, Av. Universidad 3000

L. Contreras

Tamagawa University

Email: luis@lab.tamagawa.ac.jp
Tamagawagakuen 6

Bibliografia

  1. Takashi Yamamoto, Tamaki Nishino, Hideki Kajima, Mitsunori Ohta, and Koichi Ikeda. Human {Support} {Robot} ({HSR}). In {ACM} {SIGGRAPH} 2018 {Emerging} {Technologies}, {SIGGRAPH} ’18, pages 11:1—-11:2, New York, NY, USA, 2018. ACM.
  2. P. Zarchan and H. Musoff. Fundamentals of Kalman Filtering: A Practical Approach. Number v. 190 in Fundamentals of Kalman filtering: a practical approach. American Institute of Aeronautics and Astronautics, Incorporated.
  3. R. Smith, M. Self, and P. Cheeseman. Autonomous Robot Vehicles. chapter Estimating, pages 167–193. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 1990.
  4. Giorgio Grisetti, Cyrill Stachniss, and Wolfram Burgard. Improved Techniques for Grid Mapping With Rao-Blackwellized Particle Filters. IEEE Transactions on Robotics, 23(1): 34–46, 2007.
  5. D. Fox, W. Burgard, F. Dellaert, S. Thrun. AAAI/IAAI, and undefined 1999.
  6. G. Grisetti, R. Kuemmerle, C. Stachniss, and W. Burgard. A Tutorial on Graph-Based {SLAM}. Intelligent Transportation Systems Magazine, IEEE, 2(4):31–43, 2010.
  7. M. Zaffar, S. Ehsan, R. Stolkin, and K. M. Maier. Sensors, slam and long-term autonomy: A review. In 2018 NASA/ESA Conference on Adaptive Hardware and Systems (AHS), pages 285–290, 2018. Monte carlo localization: Efficient position estimation for mobile robots. aaai.org, 1999.
  8. Sebastian Thrun and Michael Montemerlo. The graphe SLAM Algorithm with Applications to Large-Scale Mapping of Urban Structures. The International Journal of Robotics Research, 25(5-6):403–429, 2006.
  9. A. Soragna, M. Baldini, D. Joho, R. Kümmerle, and G. Grisetti. Active slam using connectivity graphs as priors. In 2019 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), pages 340–346, 2019.
  10. João Machado Santos, David Portugal, and Rui P. Rocha. An evaluation of 2d slam techniques available in robot operating system. In SSRR, pages 1–6. IEEE, 2013.
  11. Giorgio Grisetti, Cyrill Stachniss, and Wolfram Burgard. Improved Techniques for Grid Mapping With Rao-Blackwellized Particle Filters. IEEE Transactions on Robotics, 23(1):34–46, 2007.
  12. Regis Vincent, Benson Limketkai, and Michael Eriksen. Comparison of indoor robot localization techniques in the absence of GPS. In Russell S. Harmon, John H. Holloway Jr., and J. Thomas Broach, editors, Detection and Sensing of Mines, Explosive Objects, and Obscured Targets XV, volume 7664, pages 606–610. International Society for Optics and Photonics, SPIE, 2010.
  13. Kurt Konolige, Giorgio Grisetti, Rainer Kümmerle, Wolfram Burgard, Benson Limketkai, and Regis Vincent. Efficient sparse pose adjustment for 2d mapping. In 2010 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pages 22–29, 2010.
  14. G O S Ekhaguere. On notions of Markov property. Journal of Mathematical Physics, 18(11):2104–2107, 1977.
  15. Lawrence R. Rabiner. A tutorial on hidden Markov models and selected applications in speech recognition. In PROCEEDINGS OF THE IEEE, pages 257–286, 1989.
  16. D. Fox, W. Burgard, F. Dellaert, S. Thrun AAAI/IAAI, and undefined 1999. Monte carlo localization: Efficient position estimation for mobile robots. aaai.org, 1999.
  17. Randall C. Smith and Peter Cheeseman. On the representation and estimation of spatial uncertainty. The International Journal of Robotics Research, 5(4), 1986.
  18. Savage, Fuentes. Map representation using hidden markov models for mobile robot localization. volume 161, 2018.
  19. A.P. Dempster, N.M. Laird, and D.B. Rubin. Maximum likelihood from incomplete data via the EM algorithm. JOURNAL OF THE ROYAL STATISTICAL SOCIETY, SERIES B, 39(1):1–38, 1977.
  20. Pierre Baldi and Yves Chauvin. Smooth {On}-{Line} {Learning} {Algorithms} for {Hidden} {Markov} {Models}. Neural Comput., 6, 1993.
  21. Long Wen, Yang Zhao, Shuguang Li, Hong Cheng, and Chen Zhang. {MST}-{ResNet}: {A} {Multiscale} {Spatial} {Temporal} {ResNet} for {Steering} {Prediction}. pages 246–251, 2019.
  22. Jianbo Shi and Carlo Tomasi. Good Features to Track. IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, pages 593–600, 1994.
  23. Brendan J. Frey and Delbert Dueck. Clustering by passing messages between data points. Science, 315:972–977, 2007.
  24. Ming Liang, Bin Yang, Yun Chen, Rui Hu, and Raquel Urtasun. Multi-task multi-sensor fusion for 3d object detection. In Proceedings of the IEEE/CVF Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR), June 2019.
  25. G.D. Forney. The viterbi algorithm. Proceedings of the IEEE, 61(3): 268–278, 1973.
  26. Agostino Martinelli. Modeling and {Estimating} the {Odometry} {Error} of a {Mobile} {Robot}. IFAC Proceedings Volumes, 34(6): 407–412, 2001.
  27. Yasuyoshi Yokokohji, Yoshihiro Kawai, Mizuho Shibata, Yasumichi Aiyama, Shinya Kotosaka,Wataru Uemura, Akio Noda, Hiroki Dobashi, Takeshi Sakaguchi, and Kazuhito Yokoi. World robot summit – summary of the pre-competition in 2018. Advanced Robotics, pages 1–24, 09.2019.
  28. ROS. ROS (Robot Operating System), 2018.
  29. Nathan Koenig and Andrew Howard. Design and use paradigms for gazebo, an opensource multi-robot simulator. In IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pages 2149–2154, Sendai, Japan, Sep 2004.
  30. Imam Bukhori and Zool Ismail. Detection of kidnapped robot problem in monte carlo localization based on the natural displacement of the robot. International Journal of Advanced Robotic Systems, 14:172988141771746, 07 2017.
  31. Kai Wurm, A. Hornung, Maren Bennewitz, Cyrill Stachniss, and Wolfram Burgard. Octomap: A probabilistic, flexible, and compact 3d map representation for robotic systems. volume 2, 01 2010.
  32. Bastian Steder, Christian Dornhege, Michael Ruhnke, Giorgio Grisetti, Cyrill Stachniss, and Alexander Kleiner. On Measuring the Accuracy of SLAM Algorithms. Technical report.

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».