Three-dimensional models provide a volumetric representation of space which is important for a variety of robotic applications including flying robots and robots that are equipped with manipulators. In this paper, we present an open-source framework to generate volumetric 3D environment models. Our mapping approach is based on octrees and uses probabilistic occupancy estimation. It explicitly represents not only occupied space, but also free and unknown areas. Furthermore, we propose an octree map compression method that keeps the 3D models compact. Our framework is available as an open-source C++ library and has already been successfully applied in several robotics projects. We present a series of experimental results carried out with real robots and on publicly available real-world datasets. The results demonstrate that our approach is able to update the representation efficiently and models the data consistently while keeping the memory requirement at a minimum.
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由于廉价的传感和边缘计算解决方案，最近在非结构化和未知环境中对机器人勘探的需求最近已经成长。为了更接近完全自主权，机器人需要实时处理测量流，呼吁有效的探索策略。基于信息的探测技术，例如Cauchy-Schwarz二次互信息（CSQMI）和快速Shannon互信（FSMI），已成功实现了具有范围测量的主动二进制占用映射。然而，正如我们设想使用语义有意义的对象指定的复杂任务的机器人，因此必须在测量，地图表示和探索目标中捕获语义类别。在这项工作中，我们提出了一种利用范围类别测量的贝叶斯多级映射算法，以及用于多级地图和测量的Shannon互联信息的封闭形式的下限。该界限允许快速评估许多潜在机器人轨迹，用于自主勘探和映射。此外，我们通过基于OctREE数据结构的语义标签，开发3-D环境的压缩表示，每个体素维护对象类的分类分布。所提出的3-D表示有助于使用范围类别观察光线的跑步长度编码（RLE）在语义Octomap和测量之间快速计算Shannon互信息。我们比较我们对基于前沿和FSMI探索的方法，并在各种模拟和现实世界实验中应用它。
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In this work we present a fast occupancy map building approach based on the VDB datastructure. Existing log-odds based occupancy mapping systems are often not able to keep up with the high point densities and framerates of modern sensors. Therefore, we suggest a highly optimized approach based on a modern datastructure coming from a computer graphic background. A multithreaded insertion scheme allows occupancy map building at unprecedented speed. Multiple optimizations allow for a customizable tradeoff between runtime and map quality. We first demonstrate the effectiveness of the approach quantitatively on a set of ablation studies and typical benchmark sets, before we practically demonstrate the system using a legged robot and a UAV.
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本文提出了一种新颖的方法，用于在具有复杂拓扑结构的地下领域的搜索和救援行动中自动合作。作为CTU-Cras-Norlab团队的一部分，拟议的系统在DARPA SubT决赛的虚拟轨道中排名第二。与专门为虚拟轨道开发的获奖解决方案相反，该建议的解决方案也被证明是在现实世界竞争极为严峻和狭窄的环境中飞行的机上实体无人机的强大系统。提出的方法可以使无缝模拟转移的无人机团队完全自主和分散的部署，并证明了其优于不同环境可飞行空间的移动UGV团队的优势。该论文的主要贡献存在于映射和导航管道中。映射方法采用新颖的地图表示形式 - 用于有效的风险意识长距离计划，面向覆盖范围和压缩的拓扑范围的LTVMAP领域，以允许在低频道通信下进行多机器人合作。这些表示形式与新的方法一起在导航中使用，以在一般的3D环境中可见性受限的知情搜索，而对环境结构没有任何假设，同时将深度探索与传感器覆盖的剥削保持平衡。所提出的解决方案还包括一条视觉感知管道，用于在没有专用GPU的情况下在5 Hz处进行四个RGB流中感兴趣的对象的板上检测和定位。除了参与DARPA SubT外，在定性和定量评估的各种环境中，在不同的环境中进行了广泛的实验验证，UAV系统的性能得到了支持。
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本文介绍了Cerberus机器人系统系统，该系统赢得了DARPA Subterranean挑战最终活动。出席机器人自主权。由于其几何复杂性，降解的感知条件以及缺乏GPS支持，严峻的导航条件和拒绝通信，地下设置使自动操作变得特别要求。为了应对这一挑战，我们开发了Cerberus系统，该系统利用了腿部和飞行机器人的协同作用，再加上可靠的控制，尤其是为了克服危险的地形，多模式和多机器人感知，以在传感器退化，以及在传感器退化的条件下进行映射以及映射通过统一的探索路径计划和本地运动计划，反映机器人特定限制的弹性自主权。 Cerberus基于其探索各种地下环境及其高级指挥和控制的能力，表现出有效的探索，对感兴趣的对象的可靠检测以及准确的映射。在本文中，我们报告了DARPA地下挑战赛的初步奔跑和最终奖项的结果，并讨论了为社区带来利益的教训所面临的亮点和挑战。
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Maps play a key role in rapidly developing area of autonomous driving. We survey the literature for different map representations and find that while the world is three-dimensional, it is common to rely on 2D map representations in order to meet real-time constraints. We believe that high levels of situation awareness require a 3D representation as well as the inclusion of semantic information. We demonstrate that our recently presented hierarchical 3D grid mapping framework UFOMap meets the real-time constraints. Furthermore, we show how it can be used to efficiently support more complex functions such as calculating the occluded parts of space and accumulating the output from a semantic segmentation network.
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While the capabilities of autonomous systems have been steadily improving in recent years, these systems still struggle to rapidly explore previously unknown environments without the aid of GPS-assisted navigation. The DARPA Subterranean (SubT) Challenge aimed to fast track the development of autonomous exploration systems by evaluating their performance in real-world underground search-and-rescue scenarios. Subterranean environments present a plethora of challenges for robotic systems, such as limited communications, complex topology, visually-degraded sensing, and harsh terrain. The presented solution enables long-term autonomy with minimal human supervision by combining a powerful and independent single-agent autonomy stack, with higher level mission management operating over a flexible mesh network. The autonomy suite deployed on quadruped and wheeled robots was fully independent, freeing the human supervision to loosely supervise the mission and make high-impact strategic decisions. We also discuss lessons learned from fielding our system at the SubT Final Event, relating to vehicle versatility, system adaptability, and re-configurable communications.
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对未知环境的探索是机器人技术中的一个基本问题，也是自治系统应用中的重要组成部分。探索未知环境的一个主要挑战是，机器人必须计划每个时间步骤可用的有限信息。尽管大多数当前的方法都依靠启发式方法和假设来根据这些部分观察来规划路径，但我们提出了一种新颖的方式，通过利用3D场景完成来将深度学习整合到探索中，以获取知情，安全，可解释的探索映射和计划。我们的方法，SC-explorer，使用新型的增量融合机制和新提出的分层多层映射方法结合了场景的完成，以确保机器人的安全性和效率。我们进一步提出了一种信息性的路径计划方法，利用了我们的映射方法的功能和新颖的场景完整感知信息增益。虽然我们的方法通常适用，但我们在微型航空车辆（MAV）的用例中进行了评估。我们仅使用移动硬件彻底研究了高保真仿真实验中的每个组件，并证明我们的方法可以使环境的覆盖范围增加73％，而不是基线，而MAP准确性的降低仅最少。即使最终地图中未包含场景的完成，我们也可以证明它们可以用于指导机器人选择更多信息的路径，从而加快机器人传感器的测量值35％。我们将我们的方法作为开源。
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本文介绍了使用腿收割机进行精密收集任务的集成系统。我们的收割机在狭窄的GPS拒绝了森林环境中的自主导航和树抓取了一项挑战性的任务。提出了映射，本地化，规划和控制的策略，并集成到完全自主系统中。任务从使用定制的传感器模块开始使用人员映射感兴趣区域。随后，人类专家选择树木进行收获。然后将传感器模块安装在机器上并用于给定地图内的本地化。规划算法在单路径规划问题中搜索一个方法姿势和路径。我们设计了一个路径，后面的控制器利用腿的收割机的谈判粗糙地形的能力。在达接近姿势时，机器用通用夹具抓住一棵树。此过程重复操作员选择的所有树。我们的系统已经在与树干和自然森林中的测试领域进行了测试。据我们所知，这是第一次在现实环境中运行的全尺寸液压机上显示了这一自主权。
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休眠季节葡萄树修剪需要熟练的季节性工人，这在冬季变得越来越缺乏。随着在短期季节性招聘文化和低工资的短期季节性招聘文化和低工资的时间内，随着工人更少的葡萄藤，葡萄藤往往被修剪不一致地导致葡萄化物不平衡。除此之外，目前现有的机械方法无法选择性地修剪葡萄园和手动后续操作，通常需要进一步提高生产成本。在本文中，我们展示了崎岖，全自治机器人的设计和田间评估，用于休眠季节葡萄园的端到最终修剪。该设计的设计包括新颖的相机系统，运动冗余机械手，地面机器人和在感知系统中的新颖算法。所提出的研究原型机器人系统能够在213秒/葡萄藤中完全从两侧刺激一排藤蔓，总修枝精度为87％。与机械预灌浆试验相比，商业葡萄园中自治系统的初始现场测试显示出休眠季节修剪的显着变化。在手稿中描述了设计方法，系统组件，经验教训，未来增强以及简要的经济分析。
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在本文中，我们提出了一种从3D点云生成分层的体积拓扑图的方法。我们的地图中有三个基本的分层级别：$ Storey - Region - 卷$。我们的方法的优点在输入和输出中反映。在输入方面，我们接受多层点云和建筑结构，倾斜的屋顶或天花板。在输出方面，我们可以使用不同维度的度量信息来生成结果，适用于不同的机器人应用。算法通过从3D Voxel占用映射生成$卷$来生成体积表示。然后，我们加入$段落$ s（$卷$之间的连接），将小$卷$组合成一个大多数$地区$，并使用2D分段方法进行更好的拓扑表示。我们在几个可自由的数据集中评估我们的方法。实验突出了我们的方法的优势。
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森林中自主冬季导航所固有的挑战包括缺乏可靠的全球导航卫星系统（GNSS）信号，低特征对比度，高照明变化和变化环境。这种类型的越野环境是一个极端的情况，自治车可能会在北部地区遇到。因此，了解对自动导航系统对这种恶劣环境的影响非常重要。为此，我们介绍了一个现场报告分析亚曲率区域中的教导和重复导航，同时受到气象条件的大变化。首先，我们描述了系统，它依赖于点云注册来通过北方林地定位移动机器人，同时构建地图。我们通过在教学和重复模式下在自动导航中进行了在实验中评估了该系统。我们展示了密集的植被扰乱了GNSS信号，使其不适合在森林径中导航。此外，我们突出了在森林走廊中使用点云登记的定位相关的不确定性。我们证明它不是雪降水，而是影响我们系统在环境中定位的能力的积雪。最后，我们从我们的实地运动中揭示了一些经验教训和挑战，以支持在冬季条件下更好的实验工作。
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LIDAR（光检测和测距）SLAM（同时定位和映射）作为室内清洁，导航和行业和家庭中许多其他有用应用的基础。从一系列LIDAR扫描，它构建了一个准确的全球一致的环境模型，并估计它内部的机器人位置。 SLAM本质上是计算密集的;在具有有限的加工能力的移动机器人上实现快速可靠的SLAM系统是一个具有挑战性的问题。为了克服这种障碍，在本文中，我们提出了一种普遍，低功耗和资源有效的加速器设计，用于瞄准资源限制的FPGA。由于扫描匹配位于SLAM的核心，所提出的加速器包括可编程逻辑部分上的专用扫描匹配核心，并提供软件接口以便于使用。我们的加速器可以集成到各种SLAM方法，包括基于ROS（机器人操作系统） - 基于ROS（机器人操作系统），并且用户可以切换到不同的方法而不修改和重新合成逻辑部分。我们将加速器集成为三种广泛使用的方法，即扫描匹配，粒子滤波器和基于图形的SLAM。我们使用现实世界数据集评估资源利用率，速度和输出结果质量方面的设计。 Pynq-Z2板上的实验结果表明，我们的设计将扫描匹配和循环闭合检测任务加速高达14.84倍和18.92倍，分别在上述方法中产生4.67倍，4.00倍和4.06倍的整体性能改进。我们的设计能够实现实时性能，同时仅消耗2.4W并保持精度，可与软件对应物乃至最先进的方法相当。
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The field of autonomous mobile robots has undergone dramatic advancements over the past decades. Despite achieving important milestones, several challenges are yet to be addressed. Aggregating the achievements of the robotic community as survey papers is vital to keep the track of current state-of-the-art and the challenges that must be tackled in the future. This paper tries to provide a comprehensive review of autonomous mobile robots covering topics such as sensor types, mobile robot platforms, simulation tools, path planning and following, sensor fusion methods, obstacle avoidance, and SLAM. The urge to present a survey paper is twofold. First, autonomous navigation field evolves fast so writing survey papers regularly is crucial to keep the research community well-aware of the current status of this field. Second, deep learning methods have revolutionized many fields including autonomous navigation. Therefore, it is necessary to give an appropriate treatment of the role of deep learning in autonomous navigation as well which is covered in this paper. Future works and research gaps will also be discussed.
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本文通过讨论参加了为期三年的SubT竞赛的六支球队的不同大满贯策略和成果，报道了地下大满贯的现状。特别是，本文有四个主要目标。首先，我们审查团队采用的算法，架构和系统；特别重点是以激光雷达以激光雷达为中心的SLAM解决方案（几乎所有竞争中所有团队的首选方法），异质的多机器人操作（包括空中机器人和地面机器人）和现实世界的地下操作（从存在需要处理严格的计算约束的晦涩之处）。我们不会回避讨论不同SubT SLAM系统背后的肮脏细节，这些系统通常会从技术论文中省略。其次，我们通过强调当前的SLAM系统的可能性以及我们认为与一些良好的系统工程有关的范围来讨论该领域的成熟度。第三，我们概述了我们认为是基本的开放问题，这些问题可能需要进一步的研究才能突破。最后，我们提供了在SubT挑战和相关工作期间生产的开源SLAM实现和数据集的列表，并构成了研究人员和从业人员的有用资源。
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培训和测试监督对象检测模型需要大量带有地面真相标签的图像。标签定义图像中的对象类及其位置，形状以及可能的其他信息，例如姿势。即使存在人力，标签过程也非常耗时。我们引入了一个新的标签工具，用于2D图像以及3D三角网格：3D标记工具（3DLT）。这是一个独立的，功能丰富和跨平台软件，不需要安装，并且可以在Windows，MacOS和基于Linux的发行版上运行。我们不再像当前工具那样在每个图像上分别标记相同的对象，而是使用深度信息从上述图像重建三角形网格，并仅在上述网格上标记一次对象。我们使用注册来简化3D标记，离群值检测来改进2D边界框的计算和表面重建，以将标记可能性扩展到大点云。我们的工具经过最先进的方法测试，并且在保持准确性和易用性的同时，它极大地超过了它们。
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Figure 1: Example output from our system, generated in real-time with a handheld Kinect depth camera and no other sensing infrastructure. Normal maps (colour) and Phong-shaded renderings (greyscale) from our dense reconstruction system are shown. On the left for comparison is an example of the live, incomplete, and noisy data from the Kinect sensor (used as input to our system).
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LiDAR的探测法吸引了相当大的关注，作为在复杂的GNSS污染环境中运行的自主机器人的强大定位方法。但是，由于自动操作所需的板载计算和内存资源的局限性，在大规模环境中在异质平台上实现可靠和有效的性能仍然是一个挑战。在这项工作中，我们提出了实时地下3D映射的强大且计算效率的\ LIDAR ODOMETIRY系统。 Locus 2.0包括一个新型的基于正态的\ Morrell {广义迭代的最接近点（GICP）}公式，该公式会减少点云对齐的计算时间，这是一种自适应体素电网滤波器，可维持所需的计算负载，无论环境的几何形状和滑动方式如何 - 窗口地图方法界限内存消耗。所提出的方法被证明适合在严重的计算和记忆约束下部署在参与大规模探索的异质机器人平台上。我们展示了Locus 2.0，这是Costar团队进入DARPA地下挑战赛的关键要素，在各种地下场景中。我们将基因座2.0作为开源库，并在具有挑战性和大规模的地下环境中发布基于\激光雷达的Odometry数据集。该数据集在多种环境中具有腿部和轮式平台，包括雾，灰尘，黑暗和几何归化环境，总计$ 11〜h $运营以及$ 16〜公里的距离。
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我们介绍了NeuralVDB，它通过利用机器学习的最新进步来提高现有的行业标准，以有效地存储稀疏体积数据，表示VDB。我们的新型混合数据结构可以通过数量级来减少VDB体积的内存足迹，同时保持其灵活性，并且只会产生一个小（用户控制的）压缩误差。具体而言，NeuralVDB用多个层次神经网络替换了浅和宽VDB树结构的下节点，这些神经网络分别通过神经分类器和回归器分别编码拓扑和价值信息。这种方法已证明可以最大化压缩比，同时保持高级VDB数据结构提供的空间适应性。对于稀疏的签名距离字段和密度量，我们已经观察到从已经压缩的VDB输入中的$ 10 \ times $ $ $ \ $ 100 \ $ 100 \ $ 100 \ $ 100 \ $ 100的压缩比，几乎没有可视化伪像。我们还展示了其在动画稀疏体积上的应用如何加速训练并产生时间连贯的神经网络。
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尽管常规机器人系统中的每个不同任务都需要专用的场景表示形式，但本文表明，统一表示形式可以直接用于多个关键任务。我们提出了用于映射，进程和计划（LOG-GPIS-MOP）的log-gaussian过程隐式表面：基于统一表示形式的表面重建，本地化和导航的概率框架。我们的框架将对数转换应用于高斯过程隐式表面（GPIS）公式，以恢复全局表示，该表示可以准确地捕获具有梯度的欧几里得距离场，同时又是隐式表面。通过直接估计距离字段及其通过LOG-GPIS推断的梯度，提出的增量进程技术计算出传入帧的最佳比对，并在全球范围内融合以生成MAP。同时，基于优化的计划者使用相同的LOG-GPIS表面表示计算安全的无碰撞路径。我们根据最先进的方法验证了2D和3D和3D和基准测试的模拟和真实数据集的拟议框架。我们的实验表明，LOG-GPIS-MOP在顺序的音程，表面映射和避免障碍物中产生竞争结果。
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