Fusion multi-capteur pour la détection, classification et suivi d'objets mobiles en environnement routier

Multiple sensor fusion for detection, classification and tracking of moving objects in driving environments

• Auteur / Autrice : Ricardo Omar Chavez Garcia
• Direction : Olivier Aycard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques et Informatique
• Date : Soutenance le 25/09/2014
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences et technologies de l'information, informatique (Grenoble ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique de Grenoble (2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Michèle Rombaut
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Aycard, Yassine Ruichek
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Michel Devy, François Charpillet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Véhicules automobiles -- Capteurs

Mots clés libres

Perception

Fusion multi-capteur

Théorie Dempster-Shafer

Interpretation de donnees capteurs

Vehicules intelligents

Perception

Multi-sensor fusion

Dempster-Shafer theory

Sensor processing and fusion

Intelligent vehicles

Résumé

Les systèmes avancés d'assistance au conducteur (ADAS) aident les conducteurs à effectuer des tâches de conduite complexes et à éviter ou atténuer les situations dangereuses. Le véhicule détecte le monde extérieur au moyen de capteurs, et ensuite construit et met à jour un modèle interne de la configuration de l'environnement. La perception de véhicule consiste à établir des relations spatiales et temporelles entre le véhicule et les obstacles statiques et mobiles dans l'environnement. Cette perception se compose de deux tâches principales : la localisation et cartographie simultanées (SLAM) traite de la modélisation de pièces statiques; et la détection et le suivi d'objets en mouvement (DATMO) est responsable de la modélisation des pièces mobiles dans l'environnement. Afin de réaliser un bon raisonnement et contrôle, le système doit modéliser correctement l'environnement. La détection précise et la classification des objets en mouvement est un aspect essentiel d'un système de suivi d'objets. Classification des objets en mouvement est nécessaire pour déterminer le comportement possible des objets entourant le véhicule, et il est généralement réalisée au niveau de suivi des objets. La connaissance de la classe d'objets en mouvement au niveau de la détection peut aider à améliorer leur suivi. La plupart des solutions de perception actuels considèrent informations de classification seulement comme information additional pour la sortie final de la perception. Aussi, la gestion de l'information incomplète est une exigence importante pour les systèmes de perception. Une information incomplète peut être originaire de raisons liées à la détection, tels que les problèmes d calibrage et les dysfonctionnements des capteurs; ou des perturbations de la scène, comme des occlusions, des problèmes de météo et objet déplacement. Les principales contributions de cette thèse se concentrent sur ​​la scène DATMO. Précisément, nous pensons que l'inclusion de la classe de l'objet comme un élément clé de la représentation de l'objet et la gestion de l'incertitude de plusieurs capteurs de détections, peut améliorer les résultats de la tâche de perception. Par conséquent, nous abordons les problèmes de l'association de données, la fusion de capteurs, la classification et le suivi à différents niveaux au sein de la phase de DATMO. Même si nous nous concentrons sur un ensemble de trois capteurs principaux: radar, lidar, et la caméra, nous proposons une architecture modifiables pour inclure un autre type ou nombre de capteurs. Premièrement, nous définissons une représentation composite de l'objet pour inclure des informations de classe et de l'état d'objet deouis le début de la tâche de perception. Deuxièmement, nous proposons, mettre en œuvre, et comparons deux architectures de perception afin de résoudre le problème de DATMO selon le niveau où l'association des objets, la fusion et la classification des informations sont inclus et appliquées. Nos méthodes de fusion de données sont basées sur la théorie de l'evidence, qui est utilisé pour gérer et inclure l'incertitude de la détection du capteur et de la classification des objets. Troisièmement, nous proposons une approche d'association de données bassée en la théorie de l'evidence pour établir une relation entre deux liste des détections d'objets. Quatrièmement, nous intégrons nos approches de fusion dans le cadre d'une application véhicule en temps réel. Cette intégration a été réalisée dans un réelle démonstrateur de véhicule du projet European InteractIVe. Finalement, nous avons analysé et évalué expérimentalement les performances des méthodes proposées. Nous avons comparé notre fusion rapproche les uns contre les autres et contre une méthode state-of-the-art en utilisant des données réelles de scénarios de conduite différents. Ces comparaisons sont concentrés sur la détection, la classification et le suivi des différents objets en mouvement: piétons, vélos, voitures et camions.

Advanced driver assistance systems (ADAS) help drivers to perform complex driving tasks and to avoid or mitigate dangerous situations. The vehicle senses the external world using sensors and then builds and updates an internal model of the environment configuration. Vehicle perception consists of establishing the spatial and temporal relationships between the vehicle and the static and moving obstacles in the environment. Vehicle perception is composed of two main tasks: simultaneous localization and mapping (SLAM) deals with modelling static parts; and detection and tracking moving objects (DATMO) is responsible for modelling moving parts in the environment. In order to perform a good reasoning and control, the system has to correctly model the surrounding environment. The accurate detection and classification of moving objects is a critical aspect of a moving object tracking system. Therefore, many sensors are part of a common intelligent vehicle system. Classification of moving objects is needed to determine the possible behaviour of the objects surrounding the vehicle, and it is usually performed at tracking level. Knowledge about the class of moving objects at detection level can help improve their tracking. Most of the current perception solutions consider classification information only as aggregate information for the final perception output. Also, management of incomplete information is an important requirement for perception systems. Incomplete information can be originated from sensor-related reasons, such as calibration issues and hardware malfunctions; or from scene perturbations, like occlusions, weather issues and object shifting. It is important to manage these situations by taking them into account in the perception process. The main contributions in this dissertation focus on the DATMO stage of the perception problem. Precisely, we believe that including the object's class as a key element of the object's representation and managing the uncertainty from multiple sensors detections, we can improve the results of the perception task, i.e., a more reliable list of moving objects of interest represented by their dynamic state and appearance information. Therefore, we address the problems of sensor data association, and sensor fusion for object detection, classification, and tracking at different levels within the DATMO stage. Although we focus on a set of three main sensors: radar, lidar, and camera, we propose a modifiable architecture to include other type or number of sensors. First, we define a composite object representation to include class information as a part of the object state from early stages to the final output of the perception task. Second, we propose, implement, and compare two different perception architectures to solve the DATMO problem according to the level where object association, fusion, and classification information is included and performed. Our data fusion approaches are based on the evidential framework, which is used to manage and include the uncertainty from sensor detections and object classifications. Third, we propose an evidential data association approach to establish a relationship between two sources of evidence from object detections. We observe how the class information improves the final result of the DATMO component. Fourth, we integrate the proposed fusion approaches as a part of a real-time vehicle application. This integration has been performed in a real vehicle demonstrator from the interactIVe European project. Finally, we analysed and experimentally evaluated the performance of the proposed methods. We compared our evidential fusion approaches against each other and against a state-of-the-art method using real data from different driving scenarios. These comparisons focused on the detection, classification and tracking of different moving objects: pedestrian, bike, car and truck.