The demand for robot exploration in unstructured and unknown environments has recently grown substantially thanks to the host of inexpensive sensing and edge-computing solutions. In order to come closer to full autonomy, robots need to process the measurement stream in real-time, which calls for efficient exploration strategies. Information-based exploration techniques, such as Cauchy-Schwarz quadratic mutual information (CSQMI) and fast Shannon mutual information (FSMI), have successfully achieved active binary occupancy mapping with range measurements. However, as we envision robots performing complex tasks specified with semantically meaningful objects, it is necessary to capture semantic categories in the measurements, map representation, and exploration objective. In this work we propose a Bayesian multi-class mapping algorithm utilizing range-category measurements, as well as a closed-form efficiently computable lower bound for the Shannon mutual information between the multi-class map and the measurements. The bound allows rapid evaluation of many potential robot trajectories for autonomous exploration and mapping. Furthermore, we develop a compressed representation of 3-D environments with semantic labels based on OcTree data structure, where each voxel maintains a categorical distribution over object classes. The proposed 3-D representation facilitates fast computation of Shannon mutual information between the semantic Octomap and the measurements using Run-Length Encoding (RLE) of range-category observation rays. We compare our method against frontier-based and FSMI exploration and apply it in a variety of simulated and real-world experiments.


翻译:在非结构化和未知环境中对机器人勘探的需求最近大幅增加,这要归功于大量廉价的遥感和边际计算解决方案。为了更接近完全自主,机器人需要实时处理测量流,这需要有效的勘探战略。基于信息的勘探技术,如Cauchy-Schwarz二次相互信息(CSQMI)和香农快速相互信息(FSMI),已经成功地实现了利用测距测量对许多潜在的机器人轨道进行积极的二进制定位。然而,随着我们设想机器人执行与具有语义意义的天体所指定的复杂任务,因此必须在测量、地图显示和勘探目标中捕获语义学类别。在这项工作中,我们提议采用拜亚多级多级制图算法的多级测绘算法,利用范围测量以及高档图和测距测量法之间的封闭式低调。在自动勘探和绘图中,我们开发了三种三维环境的压缩结构,以基于OcREO和勘探目标的标签为基础,我们建议使用每类实地数据采集方法,从而使用SRO-RMI数据模型的快速计算。

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