Hybridation GPS/Vision monoculaire pour la navigation autonome d'un robot en milieu extérieur

Outdoor robotic navigation by GPS and monocular vision sensors fusion

• Auteur / Autrice : Jean-Marie Codol
• Direction : André Monin, Michel Devy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Systèmes Informatiques et Systèmes Embarqués
• Date : Soutenance le 15/02/2012
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Systèmes (Toulouse ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....) - Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes [Toulouse] [LAAS]
• Jury : Président / Présidente : Jean-Charles Noyer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : André Monin, Michel Devy, Jean-Charles Noyer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Bonnifait, Emmanuel Duflos

Mots clés

Mots clés contrôlés

GPS

Technologies de l'information et de la communication

Robotique

Mots clés libres

Robotique

Localisation

Optimisation

GPS

RTK

Bundle adjustment

Smoothing and mapping

Graphe

SLAM

Navigation

Robotic Navigation

Optimisation

GPS

RTK

Bundle Adjustment

Smoothing and mapping

Graphical model

Localisation

SLAM

Résumé

On assiste aujourd'hui à l'importation des NTIC (Nouvelles Technologies de l'Information et de la Télécommunication) dans la robotique. L'union de ces technologies donnera naissance, dans les années à venir, à la robotique de service grand-public.Cet avenir, s'il se réalise, sera le fruit d'un travail de recherche, amont, dans de nombreux domaines : la mécatronique, les télécommunications, l'automatique, le traitement du signal et des images, l'intelligence artificielle ... Un des aspects particulièrement intéressant en robotique mobile est alors le problème de la localisation et de la cartographie simultanée. En effet, dans de nombreux cas, un robot mobile, pour accéder à une intelligence, doit nécessairement se localiser dans son environnement. La question est alors : quelle précision pouvons-nous espérer en terme de localisation? Et à quel coût?Dans ce contexte, un des objectifs de tous les laboratoires de recherche en robotique, objectif dont les résultats sont particulièrement attendus dans les milieux industriels, est un positionnement et une cartographie de l'environnement, qui soient à la fois précis, tous-lieux, intègre, bas-coût et temps-réel. Les capteurs de prédilection sont les capteurs peu onéreux tels qu'un GPS standard (de précision métrique), et un ensemble de capteurs embarquables en charge utile (comme les caméras-vidéo). Ce type de capteurs constituera donc notre support privilégié, dans notre travail de recherche. Dans cette thèse, nous aborderons le problème de la localisation d'un robot mobile, et nous choisirons de traiter notre problème par l'approche probabiliste. La démarche est la suivante, nous définissons nos 'variables d'intérêt' : un ensemble de variables aléatoires. Nous décrivons ensuite leurs lois de distribution, et leur modèles d'évolution, enfin nous déterminons une fonction de coût, de manière à construire un observateur (une classe d'algorithme dont l'objectif est de déterminer le minimum de notre fonction de coût). Notre contribution consistera en l'utilisation de mesures GPS brutes GPS (les mesures brutes - ou raw-datas - sont les mesures issues des boucles de corrélation de code et de phase, respectivement appelées mesures de pseudo-distances de code et de phase) pour une navigation bas-coût précise en milieu extérieur suburbain. En utilisant la propriété dite 'entière' des ambiguïtés de phase GPS, nous étendrons notre navigation pour réaliser un système GPS-RTK (Real Time Kinematic) en mode différentiel local précise et bas-coût. Nos propositions sont validées par des expérimentations réalisées sur notre démonstrateur robotique.

We are witnessing nowadays the importation of ICT (Information and Communications Technology) in robotics. These technologies will give birth, in upcoming years, to the general public service robotics. This future, if realised, shall be the result of many research conducted in several domains: mechatronics, telecommunications, automatics, signal and image processing, artificial intelligence ... One particularly interesting aspect in mobile robotics is hence the simultaneous localisation and mapping problem. Consequently, to access certain informations, a mobile robot has, in many cases, to map/localise itself inside its environment. The following question is then posed: What precision can we aim for in terms of localisation? And at what cost?In this context, one of the objectives of many laboratories indulged in robotics research, and where results impact directly the industry, is the positioning and mapping of the environment. These latter tasks should be precise, adapted everywhere, integrated, low-cost and real-time. The prediction sensors are inexpensive ones, such as a standard GPS (of metric precision), and a set of embeddable payload sensors (e.g. video cameras). These type of sensors constitute the main support in our work.In this thesis, we shed light on the localisation problem of a mobile robot, which we choose to handle with a probabilistic approach. The procedure is as follows: we first define our "variables of interest" which are a set of random variables, and then we describe their distribution laws and their evolution models. Afterwards, we determine a cost function in such a manner to build up an observer (an algorithmic class where the objective is to minimize the cost function).Our contribution consists of using brute GPS measures (brute measures or raw datas are measures issued from code and phase correlation loops, called pseudo-distance measures of code and phase, respectively) for a low-cost navigation, which is precise in an external suburban environment. By implementing the so-called "whole" property of GPS phase ambiguities, we expand the navigation to achieve a GPS-RTK (Real-Time Kinematic) system in a precise and low-cost local differential mode.Our propositions has been validated through experimentations realized on our robotic demonstrator.