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Localisation et cartographie simultanées en environnement extérieur à partir de données issues d'un radar panoramique hyperfréquence

By Franck Gérossier

Abstract

Simultaneous Localization And Mapping (SLAM) is one of the main topics investigated in the field of autonomous mobile robots. It permits the Localization and mapping of a robot in a large outdoor environment, using exteroceptive (laser, camera, radar, etc.) and proprioceptive (odometer, gyroscope, etc.) sensors. The objective of this PhD thesis is to develop innovative SLAM that uses a radar frequency modulated continuous wave (FMCW) as an exteroceptive sensor. Microwave radar provides an alternative solution for environmental imaging and overcomes the shortcomings of laser, video and sonar sensors such as their high sensitivity to atmospheric conditions. However, data obtained with this rotating range sensor is adversely affected by the vehicle’s own movement. In order to efficiently manage the work, we propose : a correction, on-the-fly, of the rotating distortion with an algorithm that uses the proprioceptive sensors’ measurements ; development of a new technique for simultaneous localization and mapping named RS-SLAM-FMT ; for the first time in SLAM, the use of the Fourier-Mellin Transform provides an accurate and efficient way of computing the rigid transformation between consecutive scans ; creation of an experimental tool to determine the covariance matrix associated with the observations. It is based on an uncertainty analysis of a Fourier-Mellin image registration ; tests of the robustness of the SLAM algorithm in real-life conditions : in an environment containing a small number of points of interest, in real full speed driving conditions, in peri-urban environments with a high density of moving objects etc. ; creation and experiment of a real-time RS-SLAM-FMT implemented on a mobile exploration vehicle in an extensive outdoor environment.Le SLAM, « Simultaneous Localisation And Mapping », représente à l'heure actuelle l'une des principales thématiques investiguées dans le domaine des robots mobiles autonomes. Il permet, à l'aide de capteurs extéroceptifs (laser, caméra, radar, etc.) et proprioceptifs (odomètre, gyromètre, etc.), de trouver l'orientation et la localisation d'un robot dans un environnement extérieur vaste, inconnu ou modifié, avec la possibilité de créer une carte au fur et à mesure des déplacements du véhicule. Les travaux de thèse décrits dans ce manuscrit s'intègrent dans ce courant de recherche. Ils visent à développer un SLAM innovant qui utilise un radar à modulation de fréquence continue « FMCW » comme capteur extéroceptif. Ce capteur est insensible aux conditions climatiques et possède une portée de détection importante. Néanmoins, c'est un capteur tournant qui, dans une utilisation mobile, va fournir des données corrompues par le déplacement du véhicule. Pour mener à bien ces travaux, nous avons proposés différentes contributions : une correction de la distorsion par l'utilisation de capteurs proprioceptifs ; le développement d'une technique de localisation et cartographie simultanées nommée RS-SLAM-FMT qui effectue un scan matching sur les observations et utilise un algorithme estimatif de type EKF-SLAM ; l'utilisation, pour la première fois en SLAM, de la mise en correspondance par Transformée de Fourier-Mellin pour réaliser l'opération de scan matching ; la création d'un outil expérimental pour déterminer la matrice de covariance associée aux observations ; des tests de robustesse de l'algorithme dans des conditions d'utilisation réelles : dans des zones avec un faible nombre de points d'intérêts, sur des parcours effectués à vitesse élevée, dans des environnements péri-urbains avec une forte densité d'objets mobiles ; la réalisation d'une application temps réel pour le test du procédé sur un véhicule d'exploration qui se déplace dans un environnement extérieur vaste

Topics: Covariance estimation, Fourier-Mellin Transform, Rigid transformation, Image registration, Rotating range sensor, Panoramic radar, Simultaneous localization and mapping, Mobile robotic, Signal and image processing, Estimation de covariance, Transformée de Fourier-Mellin, Transformation rigide, Capteur rotatif, Mise en correspondance d’images, Radar panoramique, Localisation et cartographie simultanées, Robotique mobile, Traitement du signal et de l’image, [SPI.OTHER]Engineering Sciences [physics]/Other
Publisher: HAL CCSD
Year: 2012
OAI identifier: oai:HAL:tel-00864181v1

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