Modular EKF for legged robots that runs an IMU process model with leg-odometry velocity updates at control rate and inserts delayed, low-rate visual odometry and ICP-based LiDAR corrections into a stored measurement history, giving low-latency, low-drift estimates for closed-loop locomotion.

技術屬性

欄位內容為文獻擷取紀錄的原文用語(英文),以原文為據;「未查證」表示本研究尚未讀到該資訊,不代表該方法不具備此能力。

Pronto 的技術屬性
感測輸入IMU (KVH 1750, KVH 1775, 3DM-GX4-25 or Xsens MTi-100 depending on robot)、joint encoders and force or torque sensing for leg odometry、stereo camera (Carnegie Robotics Multisense SL) or RGB-D camera (Intel RealSense D435) for FOVIS visual odometry、LiDAR (Hokuyo UTM-30LX-EW spinning in the Multisense SL, or Velodyne VLP-16 on ANYmal) for AICP registration
原文測試平台Atlas humanoid、Valkyrie humanoid、HyQ quadruped、ANYmal quadruped
狀態估計modular extended Kalman filter with an IMU process model on the real-time control computer; leg-odometry velocity updates; zero-velocity gyro bias update when stationary at least 400 ms; loosely coupled pose or position corrections from FOVIS visual odometry and from AICP LiDAR registration applied through a measurement history of typically 10 s to handle their latency (Secs. 4-5)
資料關聯leg odometry from kinematics with contact detection (Schmitt trigger on humanoids, probabilistic ground-reaction-force contact on quadrupeds); FOVIS feature-based stereo or RGB-D visual odometry; AICP auto-tuned ICP with planar pre-filtering and overlap-based outlier rejection against a reference cloud (Sec. 4)
時間表示discrete EKF at the IMU rate (250 to 1000 Hz) with delayed asynchronous exteroceptive updates at 1 to 15 Hz inserted into the stored history and re-propagated (Sec. 5.1; Fig. 6)
去畸變not described in the paper; AICP registers accumulated point clouds
迴圈閉合no
全域最佳化none; the filter marginalizes previous states (Sec. 9)
地圖表示AICP reference point cloud updated after a travelled distance; no global map is maintained by the estimator
先驗資訊robot kinematic model; fixed measurement covariances per module; for HyQ outdoor ground truth an ICP prior map was used for evaluation only
可輸出幾何base pose and velocity at control rate for closed-loop locomotion
計算需求consumer-grade processors (e.g., laptop-class Intel i7), no GPU; proprioceptive thread on the control computer, VO and LiDAR on a perception computer (Sec. 5)

使用設備

原文使用的感測器、運算硬體與載具(equipment)。型號保留原文寫法,連結到設備頁中同一型號的歸併名稱;角色依原文用途分為方法輸入、資料集感測器、執行運算平台、參考或真值量測(reference or ground truth)與比較對象設備。

原文使用的設備
類別型號(原文寫法)角色資料集原文規格出處
LiDARUTM-30LX-EW (spinning, in Multisense SL)歸入:Hokuyo UTM-30LX方法輸入Atlas, Valkyrie, HyQ40 Hz; full-rotation FoV 220 x 180 deg (Atlas entry); produces sparse clouds that AICP accumulates(Camurri et al., 2020, Table 1)
LiDARVLP-16歸入:Velodyne VLP-16方法輸入ANYmalmounted on top of ANYmal for localization and global mapping; used by AICP(Camurri et al., 2020, Sec. 6.4)
慣性量測單元(IMU)KVH 1750方法輸入Atlas (DRC Finals)333 Hz; initial bias 0.5 deg/h and 0.5 mg; bias stability 0.05 deg/h and 0.05 mg(Camurri et al., 2020, Table 1)
慣性量測單元(IMU)3DM-GX4-25方法輸入Valkyrie500 Hz(Camurri et al., 2020, Table 1)
慣性量測單元(IMU)KVH 1775方法輸入HyQ1000 Hz; initial bias 0.5 deg/h and 0.5 mg; bias stability 0.05 deg/h and 0.05 mg(Camurri et al., 2020, Table 1)
慣性量測單元(IMU)MTi-100歸入:Xsens MTi-100方法輸入ANYmal400 Hz; initial bias 0.2 deg/s and 5 mg; bias stability 10 deg/h and 15 mg(Camurri et al., 2020, Table 1)
雙目相機Multisense SL方法輸入Atlas, Valkyrie, HyQtri-modal ruggedized sensor; stereo 10 Hz, 1024 x 1024 px, 80 x 80 deg FoV (CMV4000 imager) on Atlas; used on Atlas, Valkyrie and HyQ(Camurri et al., 2020, Table 1; Sec. 6)
RGB-D 相機RealSense D435歸入:Intel RealSense D435方法輸入ANYmal30 Hz, 848 x 480 for VO; a second downward-facing D435 also mounted(Camurri et al., 2020, Table 1; Sec. 7.5)
輪式或腿式里程計AEDA3300-BE1方法輸入HyQjoint encoders, 1,000 Hz, resolution <0.0045 deg; leg odometry input(Camurri et al., 2020, Table 1)
輪式或腿式里程計ANYdrive方法輸入ANYmaljoint encoders (resolution <0.025 deg) and torque at 400 Hz; leg odometry input(Camurri et al., 2020, Table 1)
全測站TS16參考或真值量測ANYmal (Fire Service College)laser tracking system following a reflective prism with millimetre accuracy; ANYmal experiment(Camurri et al., 2020, Sec. 7.1.1)
其他Omega85方法輸入Valkyriefoot force and torque sensing for contact detection(Camurri et al., 2020, Table 1)
其他Vicon參考或真值量測Valkyrie, HyQ100 Hz, millimetre-accurate; Valkyrie and HyQ indoor experiments(Camurri et al., 2020, Sec. 7.1.1)
其他Burster 8417方法輸入HyQforce sensing, 1,000 Hz, resolution <25 N(Camurri et al., 2020, Table 1)

論文圖片

只收錄原文以開放授權(open license)釋出的圖片,並依授權條件標示出處、圖號、授權與修改方式。

  • 系統方塊圖:IMU 過程模型與腿部里程計在控制電腦即時執行,視覺里程計與 LiDAR 配準在感知電腦執行後回饋修正

    Figure 5系統方塊圖:IMU 過程模型與腿部里程計在控制電腦即時執行,視覺里程計與 LiDAR 配準在感知電腦執行後回饋修正

    出處:Camurri et al., 2020,Figure 5。授權:CC BY 4.0。原始圖檔。修改:轉存為 WebP 格式。

  • Atlas 在 DRC 決賽資料上的 AICP 表現:上方為 206 片點雲對齊結果的上視圖,左為含人群的原始點雲,右為濾除後點雲;下方比較未套用修正時閥門在各片點雲中位置不一致,以及定位成功後估測一致的結果

    Figure 7Atlas 在 DRC 決賽資料上的 AICP 表現:上方為 206 片點雲對齊結果的上視圖,左為含人群的原始點雲,右為濾除後點雲;下方比較未套用修正時閥門在各片點雲中位置不一致,以及定位成功後估測一致的結果

    出處:Camurri et al., 2020,Figure 7。授權:CC BY 4.0。原始圖檔。修改:轉存為 WebP 格式。

  • HyQ 室內重複性測試、室外昏暗工業區探索測試,以及不同感測組合估測軌跡的比較

    Figure 9HyQ 室內重複性測試、室外昏暗工業區探索測試,以及不同感測組合估測軌跡的比較

    出處:Camurri et al., 2020,Figure 9。授權:CC BY 4.0。原始圖檔。修改:轉存為 WebP 格式。

  • ANYmal 在消防訓練場的實驗:場景照片、機上相機畫面(水面反光),以及估測軌跡與真值比較

    Figure 12ANYmal 在消防訓練場的實驗:場景照片、機上相機畫面(水面反光),以及估測軌跡與真值比較

    出處:Camurri et al., 2020,Figure 12。授權:CC BY 4.0。原始圖檔。修改:轉存為 WebP 格式。

作者報告的優勢與限制

優勢

限制

營建工程相關證據

腿式機器人(如 ANYmal、Spot)已用於工地巡檢與掃描,本文提供其底層狀態估測的完整設計與長時間實測。ANYmal 實驗在消防訓練場的工業設施內進行,有水面反光、低光照與崎嶇地形,並以 Leica TS16 全測站作為真值,與施工現場的條件部分相近(推論)。但本文只評估位姿,不產生或評估點雲地圖。

原文驗證環境:受控實驗、獨立參考量測、跨場域

報告的性能數據

以下是原文作者報告的性能數值(author-reported results),不是本研究重新量測的結果。每張圖只並列同一個比較組(comparison group,同一張表、同一組實驗設定)內的方法;不同比較組之間的數值不可直接比較,也不構成排名。

本方法共出現在 2 個比較組,合計 14 筆紀錄。

Camurri et al., 2020 · Table 2 本方法 8 筆

表格設定(擷取紀錄原文):Summary of experiments; RPE = translational part of relative pose error evaluated over 10 m distance; OL = online, CL = used in the control loop; GT = ground truth available (Vicon for Valkyrie and HyQ indoor, Leica TS16 for ANYmal) (Camurri et al., 2020, Table 2)

RPE [m], over 10 m,Pronto experiments (authors) · Exp. 7 (ANYmal)

只並列這張表在相同設定下報告的方法;以「本方法:」開頭者為本頁方法。失敗、未執行與未報告以標記呈現,不是 0。

按 Tab 進入圖表後,用上下方向鍵逐一瀏覽各類別,Esc 關閉提示框;也可開啟表格檢視閱讀全部數值。

這些是 Camurri et al., 2020 在此表設定下報告的數值(author-reported results),只能在同一個比較組內對照,不代表方法在其他資料或設定下的表現。

統計量:平均值(mean);對齊方式:原文未報告;單位:m;場景:Fire Service College industrial training site, 1996 s, 240 m, 1381 m2, Leica TS16 GT

資料來源作者報告值(Camurri et al., 2020, Table 2)

數值與出處
方法(原文寫法)報告值出處
Pronto (IMU+LO+VO+AICP, offline)本方法原文提出0.34 m(Camurri et al., 2020, Table 2)
Pronto (IMU+LO only (without VO and AICP), offline)本方法原文提出0.83 m(Camurri et al., 2020, Table 2)

Camurri et al., 2020 · Sec. 7 text 本方法 6 筆

資料集與序列Pronto experiments (authors) · Exp. 6c-6e (HyQ)

表格設定(擷取紀錄原文):Values stated in the text of Section 7 (Camurri et al., 2020, Sec. 7 text)

average 3D median translation error,Pronto experiments (authors) · Exp. 6c-6e (HyQ)

只並列這張表在相同設定下報告的方法;以「本方法:」開頭者為本頁方法。失敗、未執行與未報告以標記呈現,不是 0。

按 Tab 進入圖表後,用上下方向鍵逐一瀏覽各類別,Esc 關閉提示框;也可開啟表格檢視閱讀全部數值。

這些是 Camurri et al., 2020 在此表設定下報告的數值(author-reported results),只能在同一個比較組內對照,不代表方法在其他資料或設定下的表現。

統計量:中位數(median);對齊方式:原文未報告;單位:m;場景:poorly lit industrial area

資料來源作者報告值(Camurri et al., 2020, Sec. 7 text)

數值與出處
方法(原文寫法)報告值出處
Pronto (IMU+LO+AICP)本方法原文提出0.049 m有附註註記(擷取紀錄):approximate as printed ('~4.9 cm')(Camurri et al., 2020, Sec. 7.4; Fig. 11)
Pronto (IMU+LO+AICP+VO)本方法原文提出0.032 m(Camurri et al., 2020, Sec. 7.4; Fig. 11)

來源

  • Camurri et al., 2020

    Marco Camurri, Milad Ramezani, Simona Nobili, Maurice Fallon(2020)Pronto: A Multi-Sensor State Estimator for Legged Robots in Real-World ScenariosFrontiers in Robotics and AI, 7, article 68

    同儕審查已出版已讀全文近十年查證後修正

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