Study of vehicle localization optimization with visual odometry trajectory tracking

par Dayang Nur Salmi Dharmiza Awang Salleh

Thèse de doctorat en Traitement du signal et des images

Sous la direction de Emmanuel Seignez.

  • Titre traduit

    Fusion de données pour la localisation de véhicule par suivi de trajectoire provenant de l'odométrie visuelle


  • Résumé

    Au sein des systèmes avancés d’aide à la conduite (Advanced Driver Assistance Systems - ADAS) pour les systèmes de transport intelligents (Intelligent Transport Systems - ITS), les systèmes de positionnement, ou de localisation, du véhicule jouent un rôle primordial. Le système GPS (Global Positioning System) largement employé ne peut donner seul un résultat précis à cause de facteurs extérieurs comme un environnement contraint ou l’affaiblissement des signaux. Ces erreurs peuvent être en partie corrigées en fusionnant les données GPS avec des informations supplémentaires provenant d'autres capteurs. La multiplication des systèmes d’aide à la conduite disponibles dans les véhicules nécessite de plus en plus de capteurs installés et augmente le volume de données utilisables. Dans ce cadre, nous nous sommes intéressés à la fusion des données provenant de capteurs bas cout pour améliorer le positionnement du véhicule. Parmi ces sources d’information, en parallèle au GPS, nous avons considérés les caméras disponibles sur les véhicules dans le but de faire de l’odométrie visuelle (Visual Odometry - VO), couplée à une carte de l’environnement. Nous avons étudié les caractéristiques de cette trajectoire reconstituée dans le but d’améliorer la qualité du positionnement latéral et longitudinal du véhicule sur la route, et de détecter les changements de voies possibles. Après avoir été fusionnée avec les données GPS, cette trajectoire générée est couplée avec la carte de l’environnement provenant d’Open-StreetMap (OSM). L'erreur de positionnement latérale est réduite en utilisant les informations de distribution de voie fournies par OSM, tandis que le positionnement longitudinal est optimisé avec une correspondance de courbes entre la trajectoire provenant de l’odométrie visuelle et les routes segmentées décrites dans OSM. Pour vérifier la robustesse du système, la méthode a été validée avec des jeux de données KITTI en considérant des données GPS bruitées par des modèles de bruits usuels. Plusieurs méthodes d’odométrie visuelle ont été utilisées pour comparer l’influence de la méthode sur le niveau d'amélioration du résultat après fusion des données. En utilisant la technique d’appariement des courbes que nous proposons, la précision du positionnement connait une amélioration significative, en particulier pour l’erreur longitudinale. Les performances de localisation sont comparables à celles des techniques SLAM (Simultaneous Localization And Mapping), corrigeant l’erreur d’orientation initiale provenant de l’odométrie visuelle. Nous avons ensuite employé la trajectoire provenant de l’odométrie visuelle dans le cadre de la détection de changement de voie. Cette indication est utile dans pour les systèmes de navigation des véhicules. La détection de changement de voie a été réalisée par une somme cumulative et une technique d’ajustement de courbe et obtient de très bon taux de réussite. Des perspectives de recherche sur la stratégie de détection sont proposées pour déterminer la voie initiale du véhicule. En conclusion, les résultats obtenus lors de ces travaux montrent l’intérêt de l’utilisation de la trajectoire provenant de l’odométrie visuelle comme source d’information pour la fusion de données à faible coût pour la localisation des véhicules. Cette source d’information provenant de la caméra est complémentaire aux données d’images traitées qui pourront par ailleurs être utilisées pour les différentes taches visée par les systèmes d’aides à la conduite.


  • Résumé

    With the growing research on Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) for Intelligent Transport Systems (ITS), accurate vehicle localization plays an important role in intelligent vehicles. The Global Positioning System (GPS) has been widely used but its accuracy deteriorates and susceptible to positioning error due to factors such as the restricting environments that results in signal weakening. This problem can be addressed by integrating the GPS data with additional information from other sensors. Meanwhile, nowadays, we can find vehicles equipped with sensors for ADAS applications. In this research, fusion of GPS with visual odometry (VO) and digital map is proposed as a solution to localization improvement with low-cost data fusion. From the published works on VO, it is interesting to know how the generated trajectory can further improve vehicle localization. By integrating the VO output with GPS and OpenStreetMap (OSM) data, estimates of vehicle position on the map can be obtained. The lateral positioning error is reduced by utilizing lane distribution information provided by OSM while the longitudinal positioning is optimized with curve matching between VO trajectory trail and segmented roads. To observe the system robustness, the method was validated with KITTI datasets tested with different common GPS noise. Several published VO methods were also used to compare improvement level after data fusion. Validation results show that the positioning accuracy achieved significant improvement especially for the longitudinal error with curve matching technique. The localization performance is on par with Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) SLAM techniques despite the drift in VO trajectory input. The research on employability of VO trajectory is extended for a deterministic task in lane-change detection. This is to assist the routing service for lane-level direction in navigation. The lane-change detection was conducted by CUSUM and curve fitting technique that resulted in 100% successful detection for stereo VO. Further study for the detection strategy is however required to obtain the current true lane of the vehicle for lane-level accurate localization. With the results obtained from the proposed low-cost data fusion for localization, we see a bright prospect of utilizing VO trajectory with information from OSM to improve the performance. In addition to obtain VO trajectory, the camera mounted on the vehicle can also be used for other image processing applications to complement the system. This research will continue to develop with future works concluded in the last chapter of this thesis.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 31-12-2020


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