Abstract

This research project took part in the SENA project (Autonomous Embedded Navigation System), which was developed at the Mobile Robotics Lab of the Mechatronics Group at the Engineering School of São Carlos, University of São Paulo (EESC - USP) in collaboration with the São Carlos Institute of Physics. Aiming for an autonomous behavior in the prototype vehicle this dissertation focused on deploying some machine learning algorithms to support its perception. These algorithms enabled the vehicle to execute articial-intelligence tasks, such as prediction and memory retrieval for object classication. Even though in autonomous navigation there are several perception, cognition and actuation tasks, this dissertation focused only on perception, which provides the vehicle control system with information about the environment around it. The most basic information to be provided is the existence of objects (obstacles) around the vehicle. In formation about the sort of object it is also provided, i.e., its classication among cars, pedestrians, stakes, the road, as well as the scale of such an object and its position in front of the vehicle. The environmental data was acquired by using a camera and a Velodyne LiDAR. A ceiling analysis of the object detection pipeline was used to simulate the proposed methodology. As a result, this analysis estimated that processing specic regions in the PDF Compressor Pro xii image (i.e., Regions of Interest, or RoIs), where it is more likely to nd an object, would be the best way of improving our recognition system, a process called image normalization. Consequently, experimental results in a data-fusion approach using laser data and images, in which RoIs were found using the LiDAR data, showed that the fusion approach can provide better object detection and classication compared with the use of either camera or LiDAR alone. Deploying a data-fusion classication using RoI method can be executed at 6 Hz and with 100% precision in pedestrians and 92.3% in cars. The fusion also enabled road estimation even when there were shadows and colored road markers in the image. Vision-based classier supported by LiDAR data provided a good solution for multi-scale object detection and even for the non-uniform illumination problem. Este projeto de pesquisa fez parte do projeto SENA (Sistema Embarcado de Navegação Autônoma), ele foi realizado no Laboratório de Robótica Móvel do Grupo de Mecatrônica da Escola de Engenharia de São Carlos (EESC), em colaboração com o Instituto de Física de São Carlos (IFSC). A grande motivação do projeto SENA é o desenvolvimento de tecnologias assistidas e autônomas que possam atender às necessidades de diferentes tipos de motoristas (inexperientes, idosos, portadores de limitações, etc.). Vislumbra-se que a aplicação em larga escala desse tipo de tecnologia, em um futuro próximo, certamente reduzirá drasticamente a quantidade de pessoas feridas e mortas em acidentes automobilísticos em estradas e em ambientes urbanos. Nesse contexto, este projeto de pesquisa teve como objetivo proporcionar informações relativas ao ambiente ao redor do veículo, ao sistema de controle e de tomada de decisão embarcado no veículo autônomo. As informações mais básicas fornecidas são as posições dos objetos (obstáculos) ao redor do veículo; além disso, informações como o tipo de objeto (ou seja, sua classificação em carros, pedestres, postes e a própria rua mesma), assim como o tamanho deles. Os dados do ambiente são adquiridos através do emprego de uma câmera e um Velodyne LiDAR. Um estudo do tipo ceiling foi usado para simular a metodologia da detecção dos obstáculos. Estima-se que , após realizar o estudo, que analisar regiões especificas da imagem, chamadas de regiões de interesse, onde é mais provável encontrar um obstáculo, é o melhor jeito de melhorar o sistema de reconhecimento. Observou-se na implementação da fusão dos sensores que encontrar regiões de interesse usando LiDAR, e classificá-las usando visão artificial fornece um melhor resultado na hora de compará-lo com os resultados ao usar apenas câmera ou LiDAR. Obteve-se uma classificação com precisão de 100% para pedestres e 92,3% para carros, rodando em uma frequência de 6 Hz. A fusão dos sensores também forneceu um método para estimar a estrada mesmo quando esta tinha sombra ou faixas de cor. Em geral, a classificação baseada em visão artificial e LiDAR mostrou uma solução para detecção de objetos em várias escalas e mesmo para o problema da iluminação não uniforme do ambiente.

Abstract

CAPES People living in highly-populated cities increasingly suffer an impoverishment of their quality of life due to pollution and traffic congestion problems caused by the huge number of circulating vehicles. Indeed, the reduction the number of circulating vehicles is one of the most difficult challenges in large metropolitan areas. This PhD thesis proposes a research contribution with the final objective of reducing travelling vehicles. This is done towards two different directions: on the one hand, we aim to improve the efficacy of ride sharing systems, creating a larger number of ride possibilities based on the passengers destination activities; on the other hand, we propose a social media analysis method, based on machine learning, to identify transportation demand to an event. Concerning the first research direction, we investigate a novel approach to boost ride sharing opportunities based, not only on fixed destinations, but also on alternative destinations while preserving the intended activity of the user. We observe that in many cases the activity motivating the use of a private car (e.g., going to a shopping mall) can be performed at many different locations (e.g. all the shopping malls in a given area). Our assumption is that, when there is the possibility of sharing a ride, people may accept visiting an alternative destination to fulfill their needs. Based on this idea, We thus propose Activity-Based Ride Matching (ABRM), an algorithm aimed at matching ride requests with ride offers to alternative destinations where the intended activity can still be performed. By analyzing two large mobility datasets, we found that with our approach there is an increase up to 54.69% in ride-sharing opportunities compared to a traditional fixed-destination-oriented approach. For the second research contribution, we focus on the analysis of social media for inferring the transportation demands for large events such as music festivals and sports games. In this context, we investigate the novel problem of exploiting the content of nongeotagged posts to infer users’ attendance of large events. We identified three temporal periods: before, during and after an event. We detail the features used to train the event attendance classifiers on the three temporal periods and report on experiments conducted on two large music festivals in the UK. Our classifiers attained a very high accuracy, with the highest result observed for Creamfields festival (∼91% accuracy to classify users that will participate in the event). Furthermore, we proposed an example of application of our methodology in event-related transportation. This proposed application aims to evaluate the geographic areas with a higher potential demand for transportation services to an event. Pessoas que vivem em cidades altamente populosas sofrem cada vez mais com o declínio da qualidade de vida devido à poluição e aos problemas de congestionamento causados pelo enorme número de veículos em circulação. A redução da quantidade de veículos em circulação é de fato um dos mais difíceis desafios em grandes áreas metropolitanas. A presente tese de doutorado propõe uma pesquisa com o objetivo final de reduzir o número de veículos em circulação. Tal objetivo é feito em duas diferentes direções: por um lado, pretendemos melhorar a eficácia dos sistemas de ride-sharing aumentando o número de possibilidades de caronas com base na atividade destino dos passageiros; por outro lado, propomos também um método baseado em aprendizagem de máquina e análise de mídia social para identificar demanda de transporte de um evento. Em relação à primeira contribuição da pesquisa, nós investigamos uma nova abordagem para aumentar o compartilhamento de caronas baseando-se não apenas em destinos fixos, mas também em destinos alternativos enquanto que preservando a atividade pretendida do usuário. Observamos que em muitos casos a atividade que motiva o uso de um carro particular (por exemplo ir a um shopping center) pode ser realizada em muitos locais diferentes (por exemplo todos os shoppings em uma determinada área). Nossa suposição é que, quando há a possibilidade de compartilhar uma carona, as pessoas podem aceitar visitas a destinos alternativos para satisfazer suas necessidades. Nós propomos o Activity-Based Ride Matching (ABRM), um algoritmo que visa atender às solicitações de caronas usando destinos alternativos onde a atividade pretendida pelo passageiro ainda pode ser executada. Através da análise de dois grande conjuntos de dados de mobilidade, mostramos que nossa abordagem alcança um aumento de até 54,69% nas oportunidades de caronas em comparação com abordagens tradicionais orientadas a destinos fixos. Para a segunda contribuição nos concentramos na análise de mídias sociais para inferir as demandas de transporte para grandes eventos tais como concertos musicais e eventos esportivos. Investigamos um problema que consiste em explorar o conteúdo de postagens não geolocalizadas para inferir a participação dos usuários em grandes eventos. Nós identificamos três períodos temporais: antes, durante e depois de um evento. Detalhamos as features usadas para treinar classificadores capazes de inferir a participação de usuários em um dado evento nos três períodos temporais. Os experimentos foram conduzidos usando postagens em mídias sociais referentes a dois grandes festivais de música no Reino Unido. Nossos classificadores obtiveram alta accuracy, com o maior resultado observado para o festival Creamfields (∼91% de accuracy para classificar os usuários que participarão do evento). Propusemos também uma aplicação de nosso método que visa avaliar as áreas geográficas com maior potencial de demanda por serviços de transporte para um evento. Le persone che vivono in città densamente popolate subiscono sempre più un impoverimento delle loro qualità della vita a causa dell’inquinamento e dei problemi di congestione del traffico causati dall’enorme numero di veicoli circolanti. La riduzione dei veicoli circolanti è una delle sfide più difficili nelle grandi aree metropolitane. Questa tesi di dottorato propone un contributo di ricerca con l’obiettivo finale di ridurre i numeri di veicoli in viaggio. Questo eśtato sviluppato verso due direzioni: da un lato, vogliamo migliorare l’efficacia dei sistemi di ride sharing, aumentando la possibilità di ricevere e dare passaggi in base alla attività di destinazione dei passeggeri. D’altra parte, vogliamo proporre un metodo basato sul machine learning e analisi dei social media, per identificare demanda de transporte a un evento. Per quanto riguarda il primo contributo di ricerca, abbiamo studiato un nuovo approccio per aumentare la condivisione dei passagi non solo su destinazioni fisse, ma anche su destinazioni alternative preservando l’attività prevista dall’utente. Osserviamo infatti che in molti casi l’attività che motiva l’uso di un’auto privata (ad es. andare in un centro commerciale) può essere eseguito in molti luoghi diversi (ad esempio tutti i centri commerciali in una determinata area). La nostra ipotesi è che, quando c’è la possibilità di condividere un passaggio, le persone possono accettare di visitare una destinazione alternativa per soddisfare i loro bisogni. Basato su questa idea, proponiamo Activity-Based Ride Matching (ABRM), un algoritmo che mira a soddisfare le richieste di carpool utilizzando destinazioni alternative, dove l’attività desiderata dal passeggero può ancora essere eseguita. Attraverso l’analisi di due grandi insiemi di dati di mobilità, mostriamo che il nostro approccio raggiunge un aumento fino al 54,69% nelle opportunità di condivisione di car pooling rispetto agli approcci tradizionali rivolti a destinazioni fisse. Per il secondo contributo della ricerca ci concentriamo sull’analisi dei social media per inferire le richieste di trasporto verso grandi eventi come concerti musicali e giochi sportivi. In questo contesto, indaghiamo sul nuovo problema dello sfruttamento del contenuto di non geotagged post per inferire la presenza di utenti a grandi eventi. Abbiamo identificato tre periodi temporali: prima, durante e dopo un evento. Descriviamo in dettaglio le caratteristiche utilizzate per addestrare i classificatori per inferire la partecipazione all’evento sui tre periodi temporali. Riportiamo gli esperimenti condotti su due grandi festival musicali nel Regno Unito. I nostri classificatori raggiungono uma alta accuracy, con il risultato più alto osservato per il festival Creamfields (∼91% di accuracy per classificare gli utenti che parteciperanno all’evento). Inoltre, abbiamo proposto un’applicazione della nostra metodologia che ha come scopo valutare le aree geografiche con il maggior potenziale di domanda di servizi di trasporto per un evento. Document type: Conference object