Localisation précise d'un véhicule par couplage vision/capteurs embarqués/systèmes d'informations géographiques

Localisation of a vehicle through low-cost sensors and geographic information systems fusion

• Auteur / Autrice : Achkan Salehi
• Direction : Frédéric Chausse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et Systèmes
• Date : Soutenance le 11/04/2018
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne‎ (2017-2020)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme)
• Jury : Président / Présidente : Michel Dhome
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Catherine Achard, Steve Bourgeois, Vincent Charvillat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michèle Rombaut, Michel Devy

Mots clés

Mots clés contrôlés

GPS

Fusion multicapteurs

Vision artificielle (robotique)

Mots clés libres

SLAM

VSLAM

Fusion de capteurs

Apprentissage profond

Segmentation sémantique

GPS

SLAM

VSLAM

Sensor fusion

Deep learning

Semantic segmentation

GPS

Résumé

La fusion entre un ensemble de capteurs et de bases de données dont les erreurs sont indépendantes est aujourd’hui la solution la plus fiable et donc la plus répandue de l’état de l’art au problème de la localisation. Les véhicules semi-autonomes et autonomes actuels, ainsi que les applications de réalité augmentée visant les contextes industriels exploitent des graphes de capteurs et de bases de données de tailles considérables, dont la conception, la calibration et la synchronisation n’est, en plus d’être onéreuse, pas triviale. Il est donc important afin de pouvoir démocratiser ces technologies, d’explorer la possibilité de l’exploitation de capteurs et bases de données bas-coûts et aisément accessibles. Cependant, ces sources d’information sont naturellement plus incertaines, et plusieurs obstacles subsistent à leur utilisation efficace en pratique. De plus, les succès récents mais fulgurants des réseaux profonds dans des tâches variées laissent penser que ces méthodes peuvent représenter une alternative peu coûteuse et efficace à certains modules des systèmes de SLAM actuels. Dans cette thèse, nous nous penchons sur la localisation à grande échelle d’un véhicule dans un repère géoréférencé à partir d’un système bas-coût. Celui-ci repose sur la fusion entre le flux vidéo d’une caméra monoculaire, des modèles 3d non-texturés mais géoréférencés de bâtiments,des modèles d’élévation de terrain et des données en provenance soit d’un GPS bas-coût soit de l’odométrie du véhicule. Nos travaux sont consacrés à la résolution de deux problèmes. Le premier survient lors de la fusion par terme barrière entre le VSLAM et l’information de positionnement fournie par un GPS bas-coût. Cette méthode de fusion est à notre connaissance la plus robuste face aux incertitudes du GPS, mais est plus exigeante en matière de ressources que la fusion via des fonctions de coût linéaires. Nous proposons une optimisation algorithmique de cette méthode reposant sur la définition d’un terme barrière particulier. Le deuxième problème est le problème d’associations entre les primitives représentant la géométrie de la scène(e.g. points 3d) et les modèles 3d des bâtiments. Les travaux précédents se basent sur des critères géométriques simples et sont donc très sensibles aux occultations en milieu urbain. Nous exploitons des réseaux convolutionnels profonds afin d’identifier et d’associer les éléments de la carte correspondants aux façades des bâtiments aux modèles 3d. Bien que nos contributions soient en grande partie indépendantes du système de SLAM sous-jacent, nos expériences sont basées sur l’ajustement de faisceaux contraint basé images-clefs. Les solutions que nous proposons sont évaluées sur des séquences de synthèse ainsi que sur des séquence urbaines réelles sur des distances de plusieurs kilomètres. Ces expériences démontrent des gains importants en performance pour la fusion VSLAM/GPS, et une amélioration considérable de la robustesse aux occultations dans la définition des contraintes.

The fusion between sensors and databases whose errors are independant is the most re-liable and therefore most widespread solution to the localization problem. Current autonomousand semi-autonomous vehicles, as well as augmented reality applications targeting industrialcontexts exploit large sensor and database graphs that are difficult and expensive to synchro-nize and calibrate. Thus, the democratization of these technologies requires the exploration ofthe possiblity of exploiting low-cost and easily accessible sensors and databases. These infor-mation sources are naturally tainted by higher uncertainty levels, and many obstacles to theireffective and efficient practical usage persist. Moreover, the recent but dazzling successes ofdeep neural networks in various tasks seem to indicate that they could be a viable and low-costalternative to some components of current SLAM systems.In this thesis, we focused on large-scale localization of a vehicle in a georeferenced co-ordinate frame from a low-cost system, which is based on the fusion between a monocularvideo stream, 3d non-textured but georeferenced building models, terrain elevation models anddata either from a low-cost GPS or from vehicle odometry. Our work targets the resolutionof two problems. The first one is related to the fusion via barrier term optimization of VS-LAM and positioning measurements provided by a low-cost GPS. This method is, to the bestof our knowledge, the most robust against GPS uncertainties, but it is more demanding in termsof computational resources. We propose an algorithmic optimization of that approach basedon the definition of a novel barrier term. The second problem is the data association problembetween the primitives that represent the geometry of the scene (e.g. 3d points) and the 3d buil-ding models. Previous works in that area use simple geometric criteria and are therefore verysensitive to occlusions in urban environments. We exploit deep convolutional neural networksin order to identify and associate elements from the map that correspond to 3d building mo-del façades. Although our contributions are for the most part independant from the underlyingSLAM system, we based our experiments on constrained key-frame based bundle adjustment.The solutions that we propose are evaluated on synthetic sequences as well as on real urbandatasets. These experiments show important performance gains for VSLAM/GPS fusion, andconsiderable improvements in the robustness of building constraints to occlusions.