Elevation Map

• Detto anche: height map, 2.5D map, digital elevation model
• Categoria: Sensing › 3D maps & reconstruction
• Tag: mapping, terrain, legged-locomotion, 3d-perception, navigation

Una mappa a griglia 2,5D del terreno che memorizza un valore di altezza, spesso con un'incertezza, per ogni cella orizzontale; un ingresso standard per la pianificazione di robot con gambe e fuoristrada.

Definizione

Una mappa di elevazione (elevation map) è una griglia sul piano del suolo in cui ogni cella contiene l'altezza della superficie del terreno in quel punto. Poiché memorizza una sola altezza per cella, viene spesso chiamata rappresentazione 2,5D: più ricca di una griglia di occupazione piana e molto più economica di una mappa a voxel 3D completa. Di solito le celle portano anche una varianza o una confidenza, e molti sistemi aggiungono ulteriori livelli per normali alla superficie, pendenza, rugosità o attraversabilità calcolate dalle altezze.

Costruire una mappa di elevazione significa fondere nel tempo dati di distanza. Ogni immagine di profondità o scansione LiDAR viene trasformata nel sistema di riferimento della mappa usando la posa del robot, i punti vengono raggruppati nelle celle e ogni nuova misura di altezza viene fusa con la stima memorizzata, spesso con un aggiornamento in stile filtro di Kalman pesato dal rumore del sensore. Gli errori nella stima della posa sbavano la mappa, quindi la deriva dell'odometria limita direttamente la qualità della mappa. La mappatura di elevazione centrata sul robot, sviluppata all'ETH Zurich per robot con gambe come ANYmal, mantiene la mappa solidale al robot e aumenta l'incertezza delle celle man mano che il robot si allontana da dove sono state osservate, così che il terreno vicino ai piedi resti coerente anche quando la posizione globale deriva. Le implementazioni su GPU permettono di aggiornare la mappa alla frequenza della telecamera.

L'ipotesi di un'unica altezza è anche il limite principale. Sporgenze, tavoli, tunnel e strutture su più piani non possono essere rappresentati, e le aree nascoste dietro gradini o rocce restano sconosciute a meno di riempirle per interpolazione o con inpainting appreso. Le mappe di superficie multilivello e le mappe 3D complete gestiscono questi casi a un costo aggiuntivo. Nella locomozione con gambe, le mappe di elevazione alimentano i pianificatori dei punti d'appoggio, forniscono campioni di altezza attorno a ciascun piede come ingressi per le policy apprese e supportano le stime di attraversabilità per la pianificazione del percorso.

Perché è importante

I robot con gambe e i veicoli fuoristrada devono sapere dov'è il suolo, non solo dove sono gli ostacoli. Una mappa di elevazione lo fornisce in una forma compatta che pianificatori e policy apprese possono interrogare rapidamente, ed è diventata un'interfaccia comune tra percezione e locomozione consapevole del terreno.

Applicazioni principali

• Locomozione percettiva di quadrupedi e umanoidi su scale e terreno accidentato
• Pianificazione dei punti d'appoggio ed evitamento dei bordi dei gradini
• Analisi di attraversabilità per veicoli fuoristrada e rover planetari
• Ingressi di scansione delle altezze per policy di locomozione apprese
• Mappatura del terreno per robot agricoli e da cantiere

In pratica

Su un quadrupede che sale le scale, le telecamere di profondità sul corpo producono nuvole di punti più volte al secondo. Ogni nuvola viene trasformata in un sistema di riferimento della mappa centrato sul robot con la posa dell'odometria visivo-inerziale o delle gambe e fusa in una griglia con celle di pochi centimetri di lato. Il controllore campiona le altezze secondo uno schema attorno a ciascun piede e le fornisce, insieme alla propriocezione, a una policy di locomozione, oppure passa la mappa a un pianificatore dei punti d'appoggio che scarta le celle vicine ai bordi dei gradini. Gli ingegneri tengono d'occhio artefatti come i picchi causati dalle gambe stesse del robot che entrano nel campo visivo della telecamera, e li filtrano prima che la mappa arrivi al controllore.

Idee sbagliate comuni

• Una mappa di elevazione è una mappa 3D completa — memorizza un'altezza per cella e non può rappresentare sporgenze, tavoli o più piani
• Le celle senza dati sono suolo piano — le celle non osservate, spesso dietro gli ostacoli, sono sconosciute e vanno trattate con cautela o riempite esplicitamente
• La qualità della mappa dipende solo dal sensore di profondità — gli errori di posa sbavano le altezze tra le celle, quindi la qualità dell'odometria conta quanto il sensore

Chi dovrebbe saperlo

• Ingegneri della locomozione con gambe che lavorano sul controllo percettivo
• Sviluppatori di robotica da campo e fuoristrada
• Ingegneri di mappatura e percezione
• Ricercatori di robotica planetaria e agricola

Tecnologie correlate

• Libreria Grid Map (Grid Map Library)
• Mappatura di elevazione centrata sul robot (Robot-Centric Elevation Mapping)
• Odometria visivo-inerziale (Visual-Inertial Odometry)
• OctoMap
• Mappe di superficie multilivello (Multi-Level Surface Maps)

Termini correlati

• Terrain Traversability
• Point Cloud
• Depth Camera
• Odometry
• Octree
• Foothold Planning

Progetti correlati

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