Exploration et navigation de robots basées vision omnidirectionnelle

Omnivision based exploration and navigation for mobile robots

• Auteur / Autrice : Pauline Merveilleux-Orzekowska
• Direction : El Mustapha Mouaddib, Ouiddad Labbani-Igbida
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences. Robotique
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Amiens

Mots clés

Mots clés contrôlés

Reconnaissance optique des formes (informatique)

Robots mobiles

Vision artificielle (robotique)

Résumé

La perception visuelle de l’espace libre (ou de façon duale des obstacles) est une problématique majeure dans de nombreuses applications en robotique mobile. Dans cette thèse, nous proposons d’utiliser les contours actifs comme support de perception pour la navigation autonome de robots mobiles dans des environnements inconnus et dynamiques, à l’aide d’un capteur de vision omnidirectionnelle. A ce jour, deux types de catégories de contours déformables existent dans la littérature : les contours actifs paramétriques et géométriques. Classiquement, les approches paramétriques fondées sur la minimisation d’une fonctionnelle énergie, apportent des solutions rapides mais présentent des problèmes de convergence dans les zones à fortes concavités ou à courbures extrémales. A l’inverse, les approches géométriques fondées sur la résolution d’une EDP non linéaire de propagation, gèrent les changements de topologie mais sont prohibitives en temps de calcul. Dans ce travail, les différentes améliorations apportées aux modèles paramétriques et géométriques existants ont permis de s’affranchir de ces contraintes de temps de calcul prohibitif et de convergence des modèles. Une nouvelle méthode basée sur une approximation par courbes de Bézier avec construction géométrique est également proposée. Des expérimentations menées en conditions réelles ont validé l’intérêt et l’efficacité de ces approches. Au terme de cette étude, la modélisation de l’espace libre par contour actif a été utilisée pour définir les possibilités d’exploration du robot dans son champ visuel, et une représentation métrique de l’espace dans une optique de partage des données. Une stratégie de navigation vers des points objectifs virtuels extraits du squelette de l’espace libre a été proposée. Cette technique permet le déplacement du robot au plus loin des frontières-obstacles (en suivant le diagramme de Voronoï par exemple) tout en évitant les éléments mobiles présents dans le champ perceptif du robot. Enfin, un module de cartographie incrémentale de l’espace exploré, reposant sur l’utilisation d’une grille d’occupation, a été proposé. Plusieurs expériences, menées dans divers environnements inconnus d’intérieur et d’extérieurs, nous ont permis d’évaluer les performances et le potentiel des méthodes développées.

Free space perception, without any prior knowledge, is still a challenging issue in mobile robotics. In this thesis, we propose to use active contour models and monocular omnidirectional vision as a framework within which to realize real-time unknown free space detections. Several approaches have been developed in the literature and can be classified in two main categories : Parametric and Geometric active contours. The parametric active contours are explicit models whose deformation is constrained by minimization of a functional energy. These latters provide fast segmentations but can not ensure the convergence of the contour to boundary concavities. In contrast, the geometric methods consider an implicit representation of the contour as the level sets of two dimensional distance functions which evolve according to an Eulerian formulation. They overcome contour convergence in boundary concavities and allow to automatically handle topology changes of the contour. However, their use is limited because of their prohibitive computational cost. In this work, various improvements to existing geometric and parametric models have been proposed to overcome these constraints of prohibitive computational cost and poorly convergence to boundary concavities. A new method based on an Bezier curves interpolation with a geometric construction is proposed. Experiments led in real environments have validated the interest and efficiency of these approaches.