Robust, precise and reliable simultaneous localization and mapping for and underwater robot. Comparison and combination of probabilistic and set-membership methods for the SLAM problem

Localisation et cartographie en simultané fiable, précise et robuste d'un robot sous-marin

• Auteur / Autrice : Jérémy Nicola
• Direction : Luc Jaulin, Sébastien Pennec
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Robotique
• Date : Soutenance le 18/09/2017
• Etablissement(s) : Brest
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire en sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance
• Jury : Président / Présidente : Michel Kieffer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Luc Jaulin, Sébastien Pennec, Michel Kieffer, Louise Travé-Massuyès, Nacim Ramdani, Michel Legris, Vincent Creuze, Benoît Zerr
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Louise Travé-Massuyès, Nacim Ramdani

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse par intervalles

Kalman, Filtrage de

Cartographie -- Informatique

Robots sous-marins

Mots clés libres

SLAM

Filtre de Kalman

Méthodes ensemblistes

Analyse par intervalles

Méthodes probabilistes

SLAM

Kalman filter

Set -membership methods

Interval analysis

Probabilistic methods

Résumé

Dans cette thèse on s'intéresse au problème de la localisation d'un robot sous-marin et de la cartographie en simultané d'un jeu de balises acoustiques installées sur le fond marin, en utilisant un distance-mètre acoustique et une centrale inertielle. Nous nous focalisons sur les deux approches principales utilisées pour résoudre ce type de problème: le filtrage de Kalman et le filtrage ensembliste basé sur l'analyse par intervalles. Le filtre de Kalman est optimal quand les équations d'état du robot sont linéaires et les bruits sont additifs, Gaussiens. Le filtrage par intervalles ne modélise pas les incertitudes dans un cadre probabiliste, et ne fait qu'une seule hypothèse sur leur nature: elles sont bornées. De plus, l'approche utilisant les intervalles permet la propagation rigoureuse des incertitudes, même quand les équations sont non linéaires. Cela résulte en une estimation hautement fiable, au prix d'une précision réduite. Nous montrons que dans un contexte sous-marin, quand le robot est équipé avec une centrale inertielle de haute précision, une partie des équations du SLAM peut raisonnablement être considérée comme linéaire avec un bruit Gaussien additif, en faisant le terrain de jeu idéal d'un filtre de Kalman. De l'autre côté, les équations liées aux observations du distance-mètre acoustique sont bien plus problématiques: le système n'est pas observable, les équations sont non linéaires, et les outliers sont fréquents. Ces conditions sont idéales pour une approche à erreur bornées basée sur l'analyse par intervalles. En prenant avantage des propriétés des bruits Gaussiens, cette thèse réconcilie le traitement probabiliste et ensembliste des incertitudes pour les systèmes aussi bien linéaires que non linéaires sujets à des bruits Gaussiens additifs. En raisonnant de manière géométrique, nous sommes capables d'exprimer la partie des équations du filtre de Kalman modélisant la dynamique du véhicule dans un cadre ensembliste. De la même manière, un traitement plus rigoureux et précis des incertitudes est décrit pour la partie des équations du filtre de Kalman liée aux mesures de distances. Ces outils peuvent ensuite être combinés pour obtenir un algorithme de SLAM qui est fiable, précis et robuste. Certaines des méthodes développées dans cette thèse sont illustrées sur des données réelles.

In this thesis, we work on the problem of simultaneously localizing an underwater robot while mapping a set of acoustic beacons lying on the seafloor, using an acoustic range-meter and an inertial navigation system. We focus on the two main approaches classically used to solve this type of problem: Kalman filtering and set-membership filtering using interval analysis. The Kalman filter is optimal when the state equations of the robot are linear, and the noises are additive, white and Gaussian. The interval-based filter do not model uncertainties in a probabilistic framework, and makes only one assumption about their nature: they are bounded. Moreover, the interval-based approach allows to rigorously propagate the uncertainties, even when the equations are non-linear. This results in a high reliability in the set estimate, at the cost of a reduced precision.We show that in a subsea context, when the robot is equipped with a high precision inertial navigation system, a part of the SLAM equations can reasonably be seen as linear with additive Gaussian noise, making it the ideal playground of a Kalman filter. On the other hand, the equations related to the acoustic range-meter are much more problematic: the system is not observable, the equations are non-linear, and the outliers are frequent. These conditions are ideal for a set-based approach using interval analysis.By taking advantage of the properties of Gaussian noises, this thesis reconciles the probabilistic and set-membership processing of uncertainties for both linear and non-linear systems with additive Gaussian noises. By reasoning geometrically, we are able to express the part of the Kalman filter equations linked to the dynamics of the vehicle in a set-membership context. In the same way, a more rigorous and precise treatment of uncertainties is described for the part of the Kalman filter linked to the range-measurements. These two tools can then be combined to obtain a SLAM algorithm that is reliable, precise and robust. Some of the methods developed during this thesis are demonstrated on real data.