Autonomous road vehicles localization using satellites, lane markings and vision

par Zui Tao

Thèse de doctorat en Information Technologies and Systems

Sous la direction de Philippe Bonnifait.

Soutenue le 29-02-2016

à Compiègne , dans le cadre de École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne) , en partenariat avec Heuristique et Diagnostic des Systèmes Complexes [Compiègne] / Heudiasyc (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Localisation de véhicules routiers autonomes en utilisant des mesures de satellites et de caméra sur des marquages au sol


  • Résumé

    L'estimation de la pose (position et l'attitude) en temps réel est une fonction clé pour les véhicules autonomes routiers. Cette thèse vise à étudier des systèmes de localisation pour ces véhicules en utilisant des capteurs automobiles à faible coût. Trois types de capteurs sont considérés : des capteurs à l'estime qui existent déjà dans les automobiles modernes, des récepteurs GNSS mono-fréquence avec antenne patch et une caméra de détection de la voie regardant vers l’avant. Les cartes très précises sont également des composants clés pour la navigation des véhicules autonomes. Dans ce travail, une carte de marquage de voies avec une précision de l’ordre du décimètre est considérée. Le problème de la localisation est étudié dans un repère de travail local Est-Nord-Haut. En effet, les sorties du système de localisation sont utilisées en temps réel comme entrées dans un planificateur de trajectoire et un contrôleur de mouvement pour faire en sorte qu’un véhicule soit capable d'évoluer au volant de façon autonome à faible vitesse avec personne à bord. Ceci permet de développer des applications de voiturier autonome aussi appelées « valet de parking ». L'utilisation d'une caméra de détection de voie rend possible l’exploitation des informations de marquage de voie stockées dans une carte géoréférencée. Un module de détection de marquage détecte la voie hôte du véhicule et fournit la distance latérale entre le marquage de voie détecté et le véhicule. La caméra est également capable d'identifier le type des marquages détectés au sol (par exemple, de type continu ou pointillé). Comme la caméra donne des mesures relatives, une étape importante consiste à relier les mesures à l'état du véhicule. Un modèle d'observation raffiné de la caméra est proposé. Il exprime les mesures métriques de la caméra en fonction du vecteur d'état du véhicule et des paramètres des marquages au sol détectés. Cependant, l'utilisation seule d'une caméra a des limites. Par exemple, les marquages des voies peuvent être absents dans certaines parties de la zone de navigation et la caméra ne parvient pas toujours à détecter les marquages au sol, en particulier, dans les zones d’intersection. Un récepteur GNSS, qui est obligatoire pour le démarrage à froid, peut également être utilisé en continu dans le système de localisation multi-capteur du fait qu’il permet de compenser la dérive de l’estime. Les erreurs de positionnement GNSS ne peuvent pas être modélisées simplement comme des bruits blancs, en particulier avec des récepteurs mono-fréquence à faible coût travaillant de manière autonome, en raison des perturbations atmosphériques sur les signaux des satellites et les erreurs d’orbites. Un récepteur GNSS peut également être affecté par de fortes perturbations locales qui sont principalement dues aux multi-trajets. Cette thèse étudie des modèles formeurs de biais d’erreur GNSS qui sont utilisés dans le solveur de localisation en augmentant le vecteur d'état. Une variation brutale due à multi-trajet est considérée comme une valeur aberrante qui doit être rejetée par le filtre. Selon le flux d'informations entre le récepteur GNSS et les autres composants du système de localisation, les architectures de fusion de données sont communément appelées « couplage lâche » (positions et vitesses GNSS) ou « couplage serré » (pseudo-distance et Doppler sur les satellites en vue). Cette thèse étudie les deux approches. En particulier, une approche invariante selon la route est proposée pour gérer une modélisation raffinée de l'erreur GNSS dans l'approche par couplage lâche puisque la caméra ne peut améliorer la performance de localisation que dans la direction latérale de la route.


  • Résumé

    Estimating the pose (position and attitude) in real-time is a key function for road autonomous vehicles. This thesis aims at studying vehicle localization performance using low cost automotive sensors. Three kinds of sensors are considered : dead reckoning (DR) sensors that already exist in modern vehicles, mono-frequency GNSS (Global navigation satellite system) receivers with patch antennas and a frontlooking lane detection camera. Highly accurate maps enhanced with road features are also key components for autonomous vehicle navigation. In this work, a lane marking map with decimeter-level accuracy is considered. The localization problem is studied in a local East-North-Up (ENU) working frame. Indeed, the localization outputs are used in real-time as inputs to a path planner and a motion generator to make a valet vehicle able to drive autonomously at low speed with nobody on-board the car. The use of a lane detection camera makes possible to exploit lane marking information stored in the georeferenced map. A lane marking detection module detects the vehicle’s host lane and provides the lateral distance between the detected lane marking and the vehicle. The camera is also able to identify the type of the detected lane markings (e.g., solid or dashed). Since the camera gives relative measurements, the important step is to link the measures with the vehicle’s state. A refined camera observation model is proposed. It expresses the camera metric measurements as a function of the vehicle’s state vector and the parameters of the detected lane markings. However, the use of a camera alone has some limitations. For example, lane markings can be missing in some parts of the navigation area and the camera sometimes fails to detect the lane markings in particular at cross-roads. GNSS, which is mandatory for cold start initialization, can be used also continuously in the multi-sensor localization system as done often when GNSS compensates for the DR drift. GNSS positioning errors can’t be modeled as white noises in particular with low cost mono-frequency receivers working in a standalone way, due to the unknown delays when the satellites signals cross the atmosphere and real-time satellites orbits errors. GNSS can also be affected by strong biases which are mainly due to multipath effect. This thesis studies GNSS biases shaping models that are used in the localization solver by augmenting the state vector. An abrupt bias due to multipath is seen as an outlier that has to be rejected by the filter. Depending on the information flows between the GNSS receiver and the other components of the localization system, data-fusion architectures are commonly referred to as loosely coupled (GNSS fixes and velocities) and tightly coupled (raw pseudoranges and Dopplers for the satellites in view). This thesis investigates both approaches. In particular, a road-invariant approach is proposed to handle a refined modeling of the GNSS error in the loosely coupled approach since the camera can only improve the localization performance in the lateral direction of the road. Finally, this research discusses some map-matching issues for instance when the uncertainty domain of the vehicle state becomes large if the camera is blind. It is challenging in this case to distinguish between different lanes when the camera retrieves lane marking measurements.As many outdoor experiments have been carried out with equipped vehicles, every problem addressed in this thesis is evaluated with real data. The different studied approaches that perform the data fusion of DR, GNSS, camera and lane marking map are compared and several conclusions are drawn on the fusion architecture choice.


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