Academia.eduAcademia.edu

Outline

A SLAM system based on Hidden Markov Models

2021, Informatics and Automation

https://doi.org/10.15622/IA.2022.21.7

Abstract

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. The Toyota HSR (Human Support Robot) robot was used to generate the data set in both real and simulated competition environments. We tested our system in the kidnapped robot problem by training a representation, improving it online, and, finally, solving the SLAM problem.

References (69)

  1. Takashi Yamamoto, Tamaki Nishino, Hideki Kajima, Mitsunori Ohta, and Koichi Ikeda. Human {Support} {Robot} ({HSR}). In {ACM} {SIGGRAPH} 2018 {Emerging} {Tech- nologies}, {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 graph 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 J., Fuentes O. 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. 208 Информатика и автоматизация. 2022. Том 21 № 1. ISSN 2713-3192 (печ.) ISSN 2713-3206 (онлайн) www.ia.spcras.ru
  25. _____________________________________________________________________ ИСКУССТВЕННЫЙ ИНТЕЛЛЕКТ, ИНЖЕНЕРИЯ ДАННЫХ И ЗНАНИЙ
  26. 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.
  27. G.D. Forney. The viterbi algorithm. Proceedings of the IEEE, 61(3):268-278, 1973.
  28. Agostino Martinelli. Modeling and {Estimating} the {Odometry} {Error} of a {Mobile} {Robot}. IFAC Proceedings Volumes, 34(6):407-412, 2001.
  29. 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.
  30. ROS. ROS (Robot Operating System, 2018.
  31. Nathan Koenig and Andrew Howard. Design and use paradigms for gazebo, an open- source multi-robot simulator. In IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pages 2149-2154, Sendai, Japan, Sep 2004.
  32. 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.
  33. 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.
  34. Bastian Steder, Christian Dornhege, Michael Ruhnke, Giorgio Grisetti, Cyrill Stachniss, and Alexander Kleiner. On Measuring the Accuracy of SLAM Algorithms. Technical report.
  35. Fuentes Oscar -Team leader, Bio robotics laboratory, National Autonomous University of Mexico (UNAM). Research interests: machine learning, deep learning, computer vision, artificial intelligence, SLAM, navigation. The number of publications -3. oscarfuentes- foto@gmail.com; 3000, Sirkuito Eskolar, Av. Universidad, 04510, Mexico City, Mexico; office phone: +52(55)56223041.
  36. Savage Jesus -Ph.D., Professor, National Autonomous University of Mexico (UNAM). Research interests: autonomous mobile robots, digital signal processing, computer architectures. The number of publications -0. robotssavage@gmail.com; 3000, Sirkuito Eskolar, Av. Universidad, 04510, Mexico City, Mexico; office phone: +52(55)56223041.
  37. Contreras Luis -Ph.D., Research fellow, Advanced intelligence and robotics research center, Tamagawa University. Research interests: computer science, visual information, computer vision and robotics. The number of publications -0. luis@lab.tamagawa.ac.jp; 6, Tamagawagakuen, 194-8610, Tokyo, Japan; office phone: +81 42-739-8111.
  38. Такаши Ямамото, Тамаки Нишино, Хидеки Кадзима, Мицунори Охта и Коичи Икеда.
  39. П. Зарчан и Х. Мусофф. Основы фильтрации Калмана: практический под- ход. Number v. 190 в Основах калмановской фильтрации: практический подход. Американский институт аэронавтики и астронавтики, Incorporated.
  40. Р. Смит, М. Селф и П. Чизмен. Автономные автомобили-роботы. глава Оценка, страницы 167-193. Шпрингер-Верлаг, Берлин, Гейдельберг, 1990.
  41. Джорджио Гризетти, Сирилл Стахнисс и Вольфрам Бургард. Улучшенные методы построения сеток с помощью частиц Рао-Блэквелла Фильтры. IEEE Transactions on Robotics, 23 (1): 34-46, 2007.
  42. D. Fox, W. Burgard, F. Dellaert, S. Thrun AAAI / IAAI и undefined 1999.
  43. G. Grisetti, R. Kuemmerle, C. Stachniss и W. Burgard. Учебник по графическому SLAM . Intelligent Transportation Systems Magazine, IEEE, 2 (4): 31-43, 2010 г.
  44. М. Заффар, С. Эхсан, Р. Столкин и К.М. Майер. Датчики, шум и длительная автономность: обзор. In Конференция NASA / ESA 2018 по адаптивному оборудо- ванию и системам (AHS), страницы 285-290, 2018. Локализация Монте-Карло: эффективное определение местоположения для мобильных устройств роботы. aaai.org, 1999.
  45. Себастьян Трун и Майкл Монтемерло. Алгоритм graph SLAM с приложениями к крупномасштабному отображению Городские сооружения. Международный журнал исследований робототехники, 25 (5-6): 403-429, 2006.
  46. А. Сорагна, М. Балдини, Д. Йохо, Р. Кюммерле и Г. Гризетти. Активный слэм с использованием графов связности в качестве априорных значений. In Между- народная конференция IEEE / RSJ по интеллектуальным роботам, 2019 г. and Systems (IROS), страницы 340-346, 2019.
  47. Жуан Мачадо Сантос, Д. Португалия и Руи П. Роча. Оценка методов двумерного удара, доступных в работе робота. В SSRR, страницы 1-6. IEEE, 2013.
  48. Джорджио Гризетти, Сирилл Стахнисс и Вольфрам Бургард. Улучшенные методы построения сеток с помощью частиц Рао-Блэквелла Фильтры. IEEE Transactions on Robotics, 23 (1): 34-46, 2007.
  49. Регис Винсент, Бенсон Лимкеткай и Майкл Эриксен. Сравнение методов лока- лизации комнатных роботов при отсутствии GPS. In Russell S Harmon, John H Holloway Jr. и J Thomas Broach, редакторы, Обнаружение и обнаружение мин, взрывоопасных предметов и скрытых объектов Targets XV, том 7664, страницы 606-610. Международное общество оптики и фотоника, SPIE, 2010.
  50. Курт Конолиге, Джорджио Гризетти, Райнер Кюммерле, Вольфрам Бургард, Бенсон Лимкеткай и Регис Винсент. Эффективная корректировка разреженной позы для 2d маппинга. На Международной конференции IEEE / RSJ 2010 по интеллекту- альным роботам and Systems, страницы 22-29, 2010 г.
  51. G.O.S. Ekhaguere. О понятиях марковского свойства. Journal of Mathematical Physics, 18 (11): 2104-2107, 1977.
  52. Лоуренс Р. Рабинер. Учебное пособие по скрытым марковским моделям и избранным приложениям в распознавание речи. В PROCEEDIES OF THE IEEE, страницы 257-286, 1989.
  53. D. Fox, W. Burgard, F. Dellaert, S. Thrun AAAI / IAAI и undefined 1999. Локали- зация Монте-Карло: эффективное определение местоположения для мобильных устройств роботы. aaai.org, 1999.
  54. Рэндалл С. Смит и Питер Чизмен. О представлении и оценке пространственной неопределенности. Международный журнал исследований робототехники, 5 (4), 1986.
  55. Сэвидж, Фуэнтес Представление карты с использованием скрытых марковских моделей для локализации мобильного робота. , том 161, 2018.
  56. А.П. Демпстер, Н.М. Лэрд и Д.Б. Рубин. Максимальная вероятность получе- ния неполных данных с помощью алгоритма EM. ЖУРНАЛ КОРОЛЕВСКОГО СТАТИСТИЧЕСКОГО ОБЩЕСТВА, СЕРИЯ B, 39 (1): 1-38, 1977.
  57. Пьер Бальди и Ив Шовен. Smooth On-Line Learning Algorithms для Скрытых Марковских моделей . Neural Comput., 6, 1993.
  58. Лун Вэнь, Ян Чжао, Шугуан Ли, Хун Чэн и Чэнь Чжан. MST-ResNet : A Мульти- масштаб Spatial Temporal ResNet для рулевого управления
  59. Джианбо Ши и Карло Томази. Хорошие возможности для отслеживания. em Конференция IEEE по компьютерному зрению и распознаванию образов, страницы 593-600, 1994.
  60. Брендан Дж. Фрей и Делберт Дук. Кластеризация путем передачи сообщений между точками данных. em Science, 315: 972-977, 2007.
  61. Мин Лян, Бинь Ян, Юн Чен, Жуй Ху и Ракель Уртасун. Многозадачная мультисен- сорная комбинация для обнаружения трехмерных объектов. В em Proceedings of the IEEE / CVF Conference on Computer Vision and Распознавание образов (CVPR), июнь 2019 г.
  62. Б-г Форни. Алгоритм Витерби. em Proceedings of the IEEE, 61 (3): 268-278, 1973.
  63. Агостино Мартинелли. Моделирование и оценка ошибки одометрии мобильного робота }. em IFAC Proceedings Volumes, 34 (6): 407-412, 2001.
  64. Ясуёси Ёкокоджи, Ёсихиро Каваи, Мидзухо Сибата, Ясумичи Айяма, Шинья Кото- сака, Ватару Уэмура, Акио Нода, Хироки Добаши, Такеши Сакагути и Кадзухито Ёкои. World robot Summit -итоги предсоревнований 2018. em Advanced Robotics, страницы 1-24, 09, 2019.
  65. РОС. ROS (операционная система роботов, 2018.
  66. Натан Кениг и Эндрю Ховард. Разработка и использование парадигм для беседки, мульти-робота с открытым исходным кодом симулятор. In em Международная конференция IEEE / RSJ по интеллектуальным роботам и Systems, страницы 2149-2154, Сендай, Япония, сентябрь 2004 г.
  67. Имам Бухори и Зоол Исмаил. Проблема обнаружения похищенного робота в локализации монте-карло на основе естественного перемещения робота. em Меж- дународный журнал передовых робототехнических систем, 14: 172988141771746, 07 2017.
  68. Кай Вурм, А. Хорнунг, Марен Бенневиц, Сирилл Стахнисс и Вольфрам Бургард. Octomap: вероятностное, гибкое и компактное представление трехмерной карты для робототехнических систем. volume 2, 01 2010.
  69. Бастиан Стедер, Кристиан Дорнхеге, Майкл Рунке, Джорджио Гризетти, Сирилл Стахнисс и Александр Клейнер. Об измерении точности алгоритмов SLAM. Технический отчет.