Multiscale Variational Autoencoder Aided Convolutional Neural Network for Pose Estimation of Tunneling Machine Using a Single Monocular Image

计算机科学 人工智能 卷积神经网络 稳健性(进化) 自编码 深度学习 三维姿态估计 模式识别(心理学) 人工神经网络 计算机视觉 姿势 机器学习 生物化学 基因 化学
作者
Hongzhuang Wu,Songyong Liu,Cheng Cheng,Sheng Cao,Yuming Cui,Deyi Zhang
出处
期刊:IEEE Transactions on Industrial Informatics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:18 (8): 5161-5170 被引量:13
标识
DOI:10.1109/tii.2021.3123546
摘要

With the rising demand of underground construction, intelligent tunneling techniques have been increasingly studied to improve the safety and efficiency of construction. The self-positioning technology of tunneling machines is the cornerstone of intelligent tunneling, which is particularly challenging due to the extreme environments of the underground tunnels. In this article, a novel robust and real-time six degrees of freedom (6-DoF) pose estimation strategy is proposed for tunneling machines based on the computer vision and deep learning methods. A monocular camera is attached to the tunneling machine, and employed to capture the images of the artificial feature object that is set far behind the tunneling machine. A novel multiscale variational autoencoder aided convolutional neural network (MSVAE-CNN) model is developed to estimate the current absolute 6-DoF pose of the tunneling machine in an end-to-end manner using a single monocular image, in which the multitask variational learning scheme is able to enhance the generalization and robustness of the model and the multiscale structure can improve the learning ability of the neural network. In our numerical experiments, a motion capture system is utilized to assist the acquisition of training dataset. The experimental results demonstrate the efficacy of the proposed MSVAE-CNN based pose estimation method.
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