Etude de la calibration et de l'intégration sur mini-drone d'un système caméra-capteurs inertiels et magnétiques et ses applications

Study of the calibration and the integration on a micro UAV of a camera-inertial and magnetic sensors system and its applications

• Auteur / Autrice : Julien Metge
• Direction : Yannick Berthoumieu, Rémi Megret, Audrey Giremus
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, productique, signal et image, ingénierie cognitique
• Date : Soutenance le 16/12/2014
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement d'accueil : Université Bordeaux-I (1971-2013)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Simon Lacroix
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Décamps
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Chateau, Lucile Rossi-Tison

Mots clés

Mots clés contrôlés

Orages magnétiques

Caméras

Accéléromètres

Magnétomètres

Centrales inertielles

Étalonnage

Capteurs (technologie)

Drones

Mots clés libres

Calibration

Centrale inertielle

IMU

Accéléromètre

Gyromètre

Magnétomètres

Perturbations magnétiques

Mini drone

Calibration IMU - caméra

Stabilisation de vidéo

Mosaïque d’image

Calcul temps réel

Calibration

Inertial measurement unit

IMU

Accelerometer

Gyrometer

Magnetometer

Magnetic disturbances

Micro UAV

IMU - camera calibration

Video stabilization

Images mosaic

Real time processing

Résumé

Cette thèse aborde le problème de la calibration d’un ensemble de capteurscomposé d’une centrale inertielle, d’un magnétomètre et d’une caméra, avecpour objectif leur intégration sur un système très compact : un mini-drone.Cette étude expose tout d’abord les contraintes imposées par l’application surle choix des capteurs et les solutions envisagées notamment pour résoudre leproblème de la synchronisation des mesures. Après avoir étudié les techniquesde calibration existantes, une méthode permettant la calibration de l’ensembledes capteurs (accéléromètre, gyromètre, magnétomètre et caméra) est présentée.La solution proposée permet également d’estimer les changements de repèresentre les différents capteurs. Elle a la particularité de ne nécessiter l’emploid’aucun matériel particulier. D’autre part, l’intégration de ces capteurs dans unsystème aussi compact soulève de nouvelles difficultés. Dans ces conditions, leschamps magnétiques créés par les actionneurs du drone perturbent les mesuresdu magnétomètre se trouvant à proximité. Une nouvelle méthode est proposéeafin d’estimer et de compenser dynamiquement ces perturbations magnétiquesen fonction de l’état des actionneurs du drone. Enfin, deux applications dusystème comprenant une centrale inertielle et une caméra sont présentées :la construction de mosaïques d’images géo-référencées et la stabilisation devidéos. Ces deux applications exploitent les mesures des capteurs inertiels afind’effectuer un traitement en temps réel pour un coût calculatoire très faible.

This thesis deal with the issue of the calibration of a group of sensor composedof an inertial unit, a magnetometer and a camera. It aims at integratingthem into a very compact system : a mini-drone. First of all, this study outlinesthe constraints imposed by the application on the choice of the sensors andthe solutions considered to solve the measures synchronization issue. Afterstudying existing calibration techniques, a method for the calibration of allthe sensors (accelerometer, gyroscope, magnetometer and camera) is presented.The proposed solution allows to estimate the frame transformation between thedifferent sensors. It has the advantage of not requiring the use of any specialequipment. Furthermore, the integration of these sensors into a compact systemraises new difficulties. Under these conditions, the magnetic fields created bythe drone actuators disrupt magnetometer measurements. A new method isproposed to estimate and compensate for these magnetic disturbances. Thecompensation is dynamically adapted based on the state of the drone actuators.Finally, two applications of the system including an inertial unit and a cameraare presented : the construction of geo-referenced images mosaic and videostabilization. Both applications use measurements of inertial sensors and precisecalibration to perform a real-time processing for a very low computational cost.