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Markov random field terrain classification for autonomous robots in unstructured terrain

Terrainklassifikation mit Markov Zufallsfeldern für autonome Roboter in unstrukturiertem Terrain

  • This thesis addresses the problem of terrain classification in unstructured outdoor environments. Terrain classification includes the detection of obstacles and passable areas as well as the analysis of ground surfaces. A 3D laser range finder is used as primary sensor for perceiving the surroundings of the robot. First of all, a grid structure is introduced for data reduction. The chosen data representation allows for multi-sensor integration, e.g., cameras for color and texture information or further laser range finders for improved data density. Subsequently, features are computed for each terrain cell within the grid. Classification is performedrnwith a Markov random field for context-sensitivity and to compensate for sensor noise and varying data density within the grid. A Gibbs sampler is used for optimization and is parallelized on the CPU and GPU in order to achieve real-time performance. Dynamic obstacles are detected and tracked using different state-of-the-art approaches. The resulting information - where other traffic participants move and are going to move to - is used to perform inference in regions where the terrain surface is partially or completely invisible for the sensors. Algorithms are tested and validated on different autonomous robot platforms and the evaluation is carried out with human-annotated ground truth maps of millions of measurements. The terrain classification approach of this thesis proved reliable in all real-time scenarios and domains and yielded new insights. Furthermore, if combined with a path planning algorithm, it enables full autonomy for all kinds of wheeled outdoor robots in natural outdoor environments.
  • Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit dem Problem der Terrainklassifikation im unstrukturierten Außengelände. Die Terrainklassifikation umfasst dabei das Erkennen von Hindernissen und flachen Bereichen mit der einhergehenden Analyse der Bodenoberfläche. Ein 3D Laser-Entfernungsmesser wurde als primärer Sensor verwendet, um das Umfeld des Roboters zu vermessen. Zunächst wird eine Gitterstruktur zur Reduktion der Daten eingeführt. Diese Datenrepräsentation ermöglicht die Integration mehrerer Sensoren, z.B. Kameras für Farb- und Texturinformationen oder weitere Laser-Entfernungsmesser, um die Datendichte zu erhöhen. Anschließend werden für alle Terrainzellen des Gitters Merkmale berechnet. Die Klassifikation erfolgt mithilfe eines Markov Zufallsfeldes für Kontextsensitivität um Sensorrauschen und variierender Datendichte entgegenzuwirken. Ein Gibbs-Sampling Ansatz wird zur Optimierung eingesetzt und auf der CPU sowie der auf GPU parallelisiert um Ergebnisse in Echtzeit zu berechnen. Weiterhin werden dynamische Hindernisse unter Verwendung verschiedener State-of-the-Art Techniken erkannt und über die Zeit verfolgt. Die berechneten Informationen, wohin sich andere Verkehrsteilnehmer bewegen und in Zukunft hinbewegen könnten, werden verwendet, um Rückschlüsse auf Bodenoberflächen zu ziehen die teilweise oder vollständig unsichtbar für die Sensoren sind. Die Algorithmen wurden auf unterschiedlichen autonomen Roboter-Plattformen getestet und eine Evaluation gegen von Menschen annotierte Grundwahrheiten von Karten aus mehreren Millionen Messungen wird präsentiert. Der in dieser Arbeit entwickelte Ansatz zur Terrainklassifikation hat sich in allen Anwendungsbereichen bewährt und neue Erkenntnisse geliefert. Kombiniert mit einem Pfadplanungsalgorithmus ermöglicht die Terrainklassifikation die vollständige Autonomie für radgetriebene Roboter in natürlichem Außengelände.

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Metadaten
Author:Marcel Häselich
URN:urn:nbn:de:hbz:kob7-10924
Referee:Ralf Lämmel, Ulrich Furbach, Dietrich Paulus, Marcin Grzegorzek
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of completion:2015/01/14
Date of publication:2015/01/14
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Koblenz, Universitätsbibliothek
Date of final exam:2014/12/17
Release Date:2015/01/14
GND Keyword:Befahrbarkeit; Dimension 3; Gelände; Hindernis; Klassifikation; Laser; Roboter; Straßenzustand; Wahrscheinlichkeitsrechnung
Number of pages:159 Seiten
Institutes:Fachbereich 4 / Institut für Informatik
Dewey Decimal Classification:0 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke / 00 Informatik, Wissen, Systeme / 004 Datenverarbeitung; Informatik
Licence (German):License LogoEs gilt das deutsche Urheberrecht: § 53 UrhG