3D Perception of Outdoor and Dynamic Environment using Laser Scanner

par Asma Azim

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Olivier Aycard.

Le président du jury était Thierry Fraichard.

Le jury était composé de Yassine Ruichek.

Les rapporteurs étaient Michel Devy, François Charpillet.

  • Titre traduit

    Perception 3D de l'environnement extérieur et dynamique utilisant Laser Scanner


  • Résumé

    Depuis des décennies, les chercheurs essaient de développer des systèmes intelligents pour les véhicules modernes, afin de rendre la conduite plus sûre et plus confortable. Ces systèmes peuvent conduire automatiquement le véhicule ou assister un conducteur en le prévenant et en l'assistant en cas de situations dangereuses. Contrairement aux conducteurs, ces systèmes n'ont pas de contraintes physiques ou psychologiques et font preuve d'une grande robustesse dans des conditions extrêmes. Un composant clé de ces systèmes est la fiabilité de la perception de l'environnement. Pour cela, les capteurs lasers sont très populaires et largement utilisés. Les capteurs laser 2D classiques ont des limites qui sont souvent compensées par l'ajout d'autres capteurs complémentaires comme des caméras ou des radars. Les avancées récentes dans le domaine des capteurs, telles que les capteurs laser 3D qui perçoivent l'environnement avec une grande résolution spatiale, ont montré qu'ils étaient une solution intéressante afin d'éviter l'utilisation de plusieurs capteurs. Bien qu'il y ait des méthodes bien connues pour la perception avec des capteurs laser 2D, les approches qui utilisent des capteurs lasers 3D sont relativement rares dans la littérature. De plus, la plupart d'entre elles utilisent plusieurs capteurs et réduisent le problème de la 3ème dimension en projetant les données 3D sur un plan et utilisent les méthodes classiques de perception 2D. Au contraire de ces approches, ce travail résout le problème en utilisant uniquement un capteur laser 3D et en utilisant les informations spatiales fournies par ce capteur. Notre première contribution est une extension des méthodes génériques de cartographie 3D fondée sur des grilles d'occupations optimisées pour résoudre le problème de cartographie et de localisation simultanée (SLAM en anglais). En utilisant des grilles d'occupations 3D, nous définissons une carte d'élévation pour la segmentation des données laser correspondant au sol. Pour corriger les erreurs de positionnement, nous utilisons une méthode incrémentale d'alignement des données laser. Le résultat forme la base pour le reste de notre travail qui constitue nos contributions les plus significatives. Dans la deuxième partie, nous nous focalisons sur la détection et le suivi des objets mobiles (DATMO en anglais). La deuxième contribution de ce travail est une méthode pour distinguer les objets dynamiques des objets statiques. L'approche proposée utilise une détection fondée sur le mouvement et sur des techniques de regroupement pour identifier les objets mobiles à partir de la grille d'occupations 3D. La méthode n'utilise pas de modèles spécifiques d'objets et permet donc la détection de tout type d'objets mobiles. Enfin, la troisième contribution est une méthode nouvelle pour classer les objets mobiles fondée sur une technique d'apprentissage supervisée. La contribution finale est une méthode pour suivre les objets mobiles en utilisant l'algorithme de Viterbi pour associer les nouvelles observations avec les objets présents dans l'environnement, Dans la troisième partie, l'approche propose est testée sur des jeux de données acquis à partir d'un capteur laser 3D monté sur le toit d'un véhicule qui se déplace dans différents types d'environnement incluant des environnements urbains, des autoroutes et des zones piétonnes. Les résultats obtenus montrent l'intérêt du système intelligent proposé pour la cartographie et la localisation simultanée ainsi que la détection et le suivi d'objets mobiles en environnement extérieur et dynamique en utilisant un capteur laser 3D.


  • Résumé

    With an anticipation to make driving experience safer and more convenient, over the decades, researchers have tried to develop intelligent systems for modern vehicles. The intended systems can either drive automatically or monitor a human driver and assist him in navigation by warning in case of a developing dangerous situation. Contrary to the human drivers, these systems are not constrained by many physical and psychological limitations and therefore prove more robust in extreme conditions. A key component of an intelligent vehicle system is the reliable perception of the environment. Laser range finders have been popular sensors which are widely used in this context. The classical 2D laser scanners have some limitations which are often compensated by the addition of other complementary sensors including cameras and radars. The recent advent of new sensors, such as 3D laser scanners which perceive the environment at a high spatial resolution, has proven to be an interesting addition to the arena. Although there are well-known methods for perception using 2D laser scanners, approaches using a 3D range scanner are relatively rare in literature. Most of those which exist either address the problem partially or augment the system with many other sensors. Surprisingly, many of those rely on reducing the dimensionality of the problem by projecting 3D data to 2D and using the well-established methods for 2D perception. In contrast to these approaches, this work addresses the problem of vehicle perception using a single 3D laser scanner. First contribution of this research is made by the extension of a generic 3D mapping framework based on an optimized occupancy grid representation to solve the problem of simultaneous localization and mapping (SLAM). Using the 3D occupancy grid, we introduce a variance-based elevation map for the segmentation of range measurements corresponding to the ground. To correct the vehicle location from odometry, we use a grid-based incremental scan matching method. The resulting SLAM framework forms a basis for rest of the contributions which constitute the major achievement of this work. After obtaining a good vehicle localization and a reliable map with ground segmentation, we focus on the detection and tracking of moving objects (DATMO). The second contribution of this thesis is the method for discriminating between the dynamic objects and the static environment. The presented approach uses motion-based detection and density-based clustering for segmenting the moving objects from 3D occupancy grid. It does not use object specific models but enables detecting arbitrary traffic participants. Third contribution is an innovative method for layered classification of the detected objects based on supervised learning technique which makes it easier to estimate their position with time. Final contribution is a method for tracking the detected objects by using Viterbi algorithm to associate the new observations with the existing objects in the environment. The proposed framework is verified with the datasets acquired from a laser scanner mounted on top of a vehicle moving in different environments including urban, highway and pedestrian-zone scenarios. The promising results thus obtained show the applicability of the proposed system for simultaneous localization and mapping with detection, classification and tracking of moving objects in dynamic outdoor environments using a single 3D laser scanner.


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