小型移動ロボット向け深層学習ベースSLAM技術の開発とそのハードウェア化

基于深度学习的小型移动机器人SLAM技术开发及其硬件实现

基本信息

  • 批准号:
    22KJ2716
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 1.6万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    日本
  • 项目类别:
    Grant-in-Aid for JSPS Fellows
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    日本
  • 起止时间:
    2023-03-08 至 2025-03-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

点群レジストレーションは、様々な視点から撮影された点群を貼り合わせる処理を指し、ロボットの自己位置推定と地図構築 (SLAM)、そして自律走行を実現するうえで欠かせない。深層学習の発展により、精度や頑健性に優れた手法が数多く登場しているが、計算量とメモリ消費の増大が課題となっている。ロボット上の計算資源には限りがあるため、処理の軽量化と高効率化がより一層求められる。申請者は本年度、軽量なニューラルネットに基づく手法 (PointNetLK)に着目し、再構成可能デバイス (FPGA)を用いてその高速化を行った。特徴抽出を80倍以上、レジストレーション処理全体を35倍高速化し、組み込みGPU (NVidia Jetson)と比べて2倍のエネルギー効率を実現した。また、初期値に依存しない頑健なレジストレーション手法として、点群特徴抽出によるものが数多く提案されている。これらの手法はSLAMのループ検出処理に用いられ、長時間動作に伴う累積誤差を解消し、精度を保つために必要である。このことから申請者は、最も広く普及している点群特徴量 (FPFH)を対象として、ハードウェア化に向けたアルゴリズムの効率化と、そのFPGA実装を行った。組み込みCPU (ARM Cortex-A53)と比べて処理を4.6倍高速化し、エネルギー効率を3倍改善した。さらに申請者は、障害物を回避しつつ、与えられた始点と終点を結ぶ最短経路を求める経路計画手法の研究を開始した。深層学習ベースの手法であるMPNetに着目し、ニューラルネットの改良と小型化、およびそのFPGA実装を行った。2次元の経路計画問題に関しては、32倍のパラメータ数削減、21倍の高速化を実現し、元の手法と比べて成功率が20%以上改善した。これら3つの結果は、小型移動ロボット上でリアルタイム動作可能なSLAMアプリケーションの実現に繋がる。
点云的注册是指从各个角度获取的粘贴云的过程,对于实现机器人,地图构造(SLAM)和自动驾驶的自我定位估计至关重要。随着深度学习的发展,许多具有出色准确性和鲁棒性的方法已经出现,但是增加的计算和记忆消耗已成为挑战。由于机器人上的计算资源有限,因此对更轻的处理和更高效率的需求更大。今年,申请人专注于轻型神经网络方法(PointNetlk),并使用可重构设备(FPGA)加速了该方法。它达到了特征提取的80倍以上,是整体注册过程的35倍,达到了嵌入式GPU(Nvidia Jetson)的能源效率的两倍。此外,通过提取点云特征提出了许多不依赖初始值的强大注册方法。这些技术用于SLAM的循环检测过程中,对于消除与长期操作相关并保持准确性相关的累积错误是必要的。因此,申请人为硬件转换制定了有效的算法,并为最广泛使用的点云功能(FPFH)实现了FPGA。与嵌入式CPU(ARM Cortex-A53)相比,处理速度已提高4.6倍,能源效率已提高了3倍。此外,申请人开始研究一种路线计划方法,该方法决定了连接给定起点和终点的最短路径,同时避免了障碍。为了关注MPNet,这是一种基于深度学习的方法,我们改进了和微型的神经网络,并实施了FPGA。关于2D路线计划问题,参数数量减少了32次,速度增加了21次,与原始方法相比,成功率超过20%。这三个结果导致实现了可以在小型移动机器人上实时操作的SLAM应用程序。

项目成果

期刊论文数量(4)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
点群特徴抽出のFPGAによる高速化
使用FPGA加速点云特征提取
  • DOI:
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    杉浦 圭祐;小島 瑠斗;松谷 宏紀
  • 通讯作者:
    松谷 宏紀
P3Net: PointNet-based Path Planning on FPGA
深層学習を用いた経路計画手法のFPGAによる高速化
使用 FPGA 的深度学习加速路径规划方法
  • DOI:
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    杉浦 圭祐;松谷 宏紀
  • 通讯作者:
    松谷 宏紀
共 3 条
  • 1
前往

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  • DOI:
  • 发表时间:
    2022
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    浦川 聖太郎;杉浦 圭祐;前田 夏穂;大坪 貴文;茂木 遥平;木下 大輔;北里 宏平;関口 朋彦;小池 美知太郎;臼田-佐藤 功美子
    浦川 聖太郎;杉浦 圭祐;前田 夏穂;大坪 貴文;茂木 遥平;木下 大輔;北里 宏平;関口 朋彦;小池 美知太郎;臼田-佐藤 功美子
  • 通讯作者:
    臼田-佐藤 功美子
    臼田-佐藤 功美子
未発見小惑星検出アプリケーションCOIASの開発
开发未被发现的小行星探测应用 COIAS
  • DOI:
  • 发表时间:
    2022
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    浦川 聖太郎;杉浦 圭祐;前田 夏穂;大坪 貴文;伊東 健一;木下 大輔;北里 宏平;服部 晃大;関口 朋彦;小池 美知太郎;臼田-佐藤 功美子
    浦川 聖太郎;杉浦 圭祐;前田 夏穂;大坪 貴文;伊東 健一;木下 大輔;北里 宏平;服部 晃大;関口 朋彦;小池 美知太郎;臼田-佐藤 功美子
  • 通讯作者:
    臼田-佐藤 功美子
    臼田-佐藤 功美子
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  • DOI:
  • 发表时间:
    2023
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    杉浦 圭祐;松谷 宏紀;堀田主;堀田主
    杉浦 圭祐;松谷 宏紀;堀田主;堀田主
  • 通讯作者:
    堀田主
    堀田主
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  • DOI:
  • 发表时间:
    2022
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    杉浦 圭祐;松谷 宏紀;堀田主
    杉浦 圭祐;松谷 宏紀;堀田主
  • 通讯作者:
    堀田主
    堀田主
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  • DOI:
  • 发表时间:
    2022
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    杉浦 圭祐;松谷 宏紀;堀田主;堀田主;堀田主
    杉浦 圭祐;松谷 宏紀;堀田主;堀田主;堀田主
  • 通讯作者:
    堀田主
    堀田主
共 6 条
  • 1
  • 2
前往

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    20J01165
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  • 财政年份:
    2020
  • 资助金额:
    $ 1.6万
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  • 项目类别:
    Grant-in-Aid for JSPS Fellows
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    $ 1.6万
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    $ 1.6万
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  • 资助金额:
    $ 1.6万
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    $ 1.6万
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  • 资助金额:
    $ 1.6万
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