Algorithmes SLAM : Vers une implémentation embarquée

SLAM Algorithms : Towards embedded implementations

• Auteur / Autrice : Mohamed Abouzahir
• Direction : Samir Bouaziz, Rachid Latif
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Robotique
• Date : Soutenance le 25/02/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE) en cotutelle avec Université Ibn Zohr (Agadir)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes et applications des technologies de l'information et de l'énergie (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2002-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Espié
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Samir Bouaziz, Rachid Latif, Stéphane Espié, Mohammed Essaaidi, Said Belkouch, Abdelhafid Elouardi, Abdelouahed Tajer, Mohamed El Ansari
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mohammed Essaaidi, Said Belkouch

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes embarqués (informatique)

SLAM (langage de programmation)

Robots autonomes

Systèmes informatiques

Mots clés libres

Localisation et cartographie simultanées

Architecture Embarquée

Implémentation

Robots autonomes

Simultaneous Localization and Mapping

Embedded Architectures

Implementation

Autonomous Robot

Résumé

La navigation autonome est un axe de recherche principal dans le domaine de la robotique mobile. Dans ce contexte, le robot doit disposer des algorithmes qui lui permettent d’évoluer de manière autonome dans des environnements complexes et inconnus. Les algorithmes de SLAM permettent à un robot de cartographier son environnement tout en se localisant dans l’espace. Les algorithmes SLAM sont de plus en plus performants, mais aucune implémentation matérielle ou architecturale complète n’a eu. Une telle implantation d’architecture doit prendre en considération la consommation d’énergie, l’embarquabilité et la puissance de calcul. Ce travail scientifique vise à évaluer des systèmes embarqués impliquant de la localisation ou reconstruction de scène. La méthodologie adoptera une approche A3 (Adéquation Algorithme Architecture) pour améliorer l’efficacité de l’implantation des algorithmes plus particulièrement pour des systèmes à fortes contraintes. Le système SLAM embarqué doit disposer d’une architecture électronique et logicielle permettant d’assurer la production d’information pertinentes à partir de données capteurs, tout en assurant la localisation de l’embarquant dans son environnement. L’objectif est donc de définir, pour un algorithme choisi, un modèle d’architecture répondant aux contraintes de l’embarqué. Les premiers travaux de cette thèse ont consisté à explorer les différentes approches algorithmiques permettant la résolution du problème de SLAM. Une étude plus approfondie de ces algorithmes est réalisée. Ceci nous a permet d’évaluer quatre algorithmes de différente nature : FastSLAM2.0, ORB SLAM, RatSLAM et le SLAM linéaire. Ces algorithmes ont été ensuite évalués sur plusieurs architectures pour l’embarqué afin d’étudier leur portabilité sur des systèmes de faible consommation énergétique et de ressources limitées. La comparaison prend en compte les temps d’exécutions et la consistance des résultats. Après avoir analysé profondément les évaluations temporelles de chaque algorithme, le FastSLAM2.0 est finalement choisi, pour un compromis temps d’exécution-consistance de résultat de localisation, comme candidat pour une étude plus approfondie sur une architecture hétérogène embarquée. La second partie de cette thèse est consacré à l’étude d’un système embarqué implémentant le FastSLAM2.0 monoculaire dédié aux environnements larges. Une réécriture algorithmique du FastSLAM2.0 a été nécessaire afin de l’adapter au mieux aux contraintes imposées par les environnements de grande échelle. Dans une démarche A3, le FastSLAM2.0 a été implanté sur une architecture hétérogène CPU-GPU. Grâce à un partitionnement efficace, un facteur d’accélération global de l’ordre de 22 a été obtenu sur une architecture récente dédiée pour l’embarqué. La nature du traitement de l’algorithme FastSLAM2.0 pouvait bénéficier d’une architecture fortement parallèle. Une deuxième instance matérielle basée sur une architecture programmable FPGA est proposée. L’implantation a été réalisée en utilisant des outils de synthèse de haut-niveau afin de réduire le temps de développement. Une comparaison des résultats d’implantation sur cette architecture matérielle par rapport à des architectures à base de GPU a été réalisée. Les gains obtenus sont conséquent, même par rapport aux GPU haut-de-gamme avec un grand nombre de cœurs. Le système résultant peut cartographier des environnements larges tout en garantissant le compromis entre la consistance des résultats de localisation et le temps réel. L’utilisation de plusieurs calculateurs implique d’utiliser des moyens d’échanges de données entre ces derniers. Cela passe par des couplages forts. Ces travaux de thèse ont permis de mettre en avant l’intérêt des architectures hétérogènes parallèles pour le portage des algorithmes SLAM. Les architectures hétérogènes à base de FPGA peuvent particulièrement devenir des candidats potentiels pour porter des algorithmes complexes traitant des données massives.

Autonomous navigation is a main axis of research in the field of mobile robotics. In this context, the robot must have an algorithm that allow the robot to move autonomously in a complex and unfamiliar environments. Mapping in advance by a human operator is a tedious and time consuming task. On the other hand, it is not always reliable, especially when the structure of the environment changes. SLAM algorithms allow a robot to map its environment while localizing it in the space.SLAM algorithms are becoming more efficient, but there is no full hardware or architectural implementation that has taken place . Such implantation of architecture must take into account the energy consumption, the embeddability and computing power. This scientific work aims to evaluate the embedded systems implementing locatization and scene reconstruction (SLAM). The methodology will adopt an approach AAM ( Algorithm Architecture Matching) to improve the efficiency of the implementation of algorithms especially for systems with high constaints. SLAM embedded system must have an electronic and software architecture to ensure the production of relevant data from sensor information, while ensuring the localization of the robot in its environment. Therefore, the objective is to define, for a chosen algorithm, an architecture model that meets the constraints of embedded systems. The first work of this thesis was to explore the different algorithmic approaches for solving the SLAM problem. Further study of these algorithms is performed. This allows us to evaluate four different kinds of algorithms: FastSLAM2.0, ORB SLAM, SLAM RatSLAM and linear. These algorithms were then evaluated on multiple architectures for embedded systems to study their portability on energy low consumption systems and limited resources. The comparison takes into account the time of execution and consistency of results. After having deeply analyzed the temporal evaluations for each algorithm, the FastSLAM2.0 was finally chosen for its compromise performance-consistency of localization result and execution time, as a candidate for further study on an embedded heterogeneous architecture. The second part of this thesis is devoted to the study of an embedded implementing of the monocular FastSLAM2.0 which is dedicated to large scale environments. An algorithmic modification of the FastSLAM2.0 was necessary in order to better adapt it to the constraints imposed by the largescale environments. The resulting system is designed around a parallel multi-core architecture. Using an algorithm architecture matching approach, the FastSLAM2.0 was implemeted on a heterogeneous CPU-GPU architecture. Uisng an effective algorithme partitioning, an overall acceleration factor o about 22 was obtained on a recent dedicated architecture for embedded systems. The nature of the execution of FastSLAM2.0 algorithm could benefit from a highly parallel architecture. A second instance hardware based on programmable FPGA architecture is proposed. The implantation was performed using high-level synthesis tools to reduce development time. A comparison of the results of implementation on the hardware architecture compared to GPU-based architectures was realized. The gains obtained are promising, even compared to a high-end GPU that currently have a large number of cores. The resulting system can map a large environments while maintainingthe balance between the consistency of the localization results and real time performance. Using multiple calculators involves the use of a means of data exchange between them. This requires strong coupling (communication bus and shared memory). This thesis work has put forward the interests of parallel heterogeneous architectures (multicore, GPU) for embedding the SLAM algorithms. The FPGA-based heterogeneous architectures can particularly become potential candidatesto bring complex algorithms dealing with massive data.