Vision-Aided Inertial Navigation : low computational complexity algorithms with applications to Micro Aerial Vehicles

par Chiara Troiani

Thèse de doctorat en Mathématiques et informatique

Sous la direction de Christian Laugier et de Agostino Martinelli.

Le président du jury était Simon Lacroix.

Le jury était composé de Davide Scaramuzza, Fabien Blanc-Paques.

Les rapporteurs étaient Gianluca Antonelli.

  • Titre traduit

    Navigation inertielle assistée par vision : algorithmes à faible complexité avec applications aux micro-véhicules aériens


  • Résumé

    L'estimation précise du mouvement 3D d'une caméra relativement à une scène rigideest essentielle pour tous les systèmes de navigation visuels. Aujourd'hui différentstypes de capteurs sont adoptés pour se localiser et naviguer dans des environnementsinconnus : GPS, capteurs de distance, caméras, capteurs magnétiques, centralesinertielles (IMU, Inertial Measurement Unit). Afin d'avoir une estimation robuste, lesmesures de plusieurs capteurs sont fusionnées. Même si le progrès technologiquepermet d'avoir des capteurs de plus en plus précis, et si la communauté de robotiquemobile développe algorithmes de navigation de plus en plus performantes, il y aencore des défis ouverts. De plus, l'intérêt croissant des la communauté de robotiquepour les micro robots et essaim de robots pousse vers l'emploi de capteurs à bas poids,bas coût et vers l'étude d'algorithmes à faible complexité. Dans ce contexte, capteursinertiels et caméras monoculaires, grâce à leurs caractéristiques complémentaires,faible poids, bas coût et utilisation généralisée, représentent une combinaison decapteur intéressante.Cette thèse présente une contribution dans le cadre de la navigation inertielle assistéepar vision et aborde les problèmes de fusion de données et estimation de la pose, envisant des algorithmes à faible complexité appliqués à des micro-véhicules aériens.Pour ce qui concerne l'association de données, une nouvelle méthode pour estimer lemouvement relatif entre deux vues de caméra consécutifs est proposée.Celle-ci ne nécessite l'observation que d'un seul point caractéristique de la scène et laconnaissance des vitesses angulaires fournies par la centrale inertielle, sousl'hypothèse que le mouvement de la caméra appartient localement à un planperpendiculaire à la direction de la gravité. Deux algorithmes très efficaces pouréliminer les fausses associations de données (outliers) sont proposés sur la base decette hypothèse de mouvement.Afin de généraliser l'approche pour des mouvements à six degrés de liberté, deuxpoints caracteristiques et les données gyroscopiques correspondantes sont nécessaires.Dans ce cas, deux algorithmes sont proposés pour éliminer les outliers.Nous montrons que dans le cas d'une caméra monoculaire montée sur un quadrotor,les informations de mouvement fournies par l'IMU peuvent être utilisées pouréliminer de mauvaises estimations.Pour ce qui concerne le problème d'estimation de la pose, cette thèse fournit unesolution analytique pour exprimer la pose du système à partir de l'observation de troispoints caractéristiques naturels dans une seule image, une fois que le roulis et letangage sont obtenus par les données inertielles sous l'hypothèse de terrain plan.Afin d'aborder le problème d'estimation de la pose dans des environnements sombresou manquant de points caractéristiques, un système équipé d'une caméra monoculaire,d'une centrale inertielle et d'un pointeur laser est considéré. Grace à une analysed'observabilité il est démontré que les grandeurs physiques qui peuvent êtredéterminées par l'exploitation des mesures fourni par ce systeme de capteurs pendantun court intervalle de temps sont : la distance entre le système et la surface plane ;la composante de la vitesse du système qui est orthogonale à la surface ; l'orientationrelative du système par rapport à la surface et l'orientation de la surface par rapport àla gravité. Une méthode récursive simple a été proposée pour l'estimation de toutesces quantités observables.Toutes les contributions de cette thèse sont validées par des expérimentations à l'aidedes données réelles et simulées. Grace à leur faible complexité de calcul, lesalgorithmes proposés sont très appropriés pour la mise en oeuvre en temps réel surdes systèmes ayant des ressources de calcul limitées. La suite de capteur considéréeest monté sur un quadrotor, mais les contributions de cette thèse peuvent êtreappliquées à n'importe quel appareil mobile.


  • Résumé

    Accurate egomotion estimation is of utmost importance for any navigation system.Nowadays di_erent sensors are adopted to localize and navigate in unknownenvironments such as GPS, range sensors, cameras, magnetic field sensors, inertialsensors (IMU). In order to have a robust egomotion estimation, the information ofmultiple sensors is fused. Although the improvements of technology in providingmore accurate sensors, and the efforts of the mobile robotics community in thedevelopment of more performant navigation algorithms, there are still openchallenges. Furthermore, the growing interest of the robotics community in microrobots and swarm of robots pushes towards the employment of low weight, low costsensors and low computational complexity algorithms. In this context inertial sensorsand monocular cameras, thanks to their complementary characteristics, low weight,low cost and widespread use, represent an interesting sensor suite.This dissertation represents a contribution in the framework of vision-aided inertialnavigation and tackles the problems of data association and pose estimation aimingfor low computational complexity algorithms applied to MAVs.For what concerns the data association, a novel method to estimate the relative motionbetween two consecutive camera views is proposed. It only requires the observationof a single feature in the scene and the knowledge of the angular rates from an IMU,under the assumption that the local camera motion lies in a plane perpendicular to thegravity vector. Two very efficient algorithms to remove the outliers of the featurematchingprocess are provided under the abovementioned motion assumption. Inorder to generalize the approach to a 6DoF motion, two feature correspondences andgyroscopic data from IMU measurements are necessary. In this case, two algorithmsare provided to remove wrong data associations in the feature-matching process. Inthe case of a monocular camera mounted on a quadrotor vehicle, motion priors fromIMU are used to discard wrong estimations.For what concerns the pose estimation problem, this thesis provides a closed formsolution which gives the system pose from three natural features observed in a singlecamera image, once the roll and the pitch angles are obtained by the inertialmeasurements under the planar ground assumption.In order to tackle the pose estimation problem in dark or featureless environments, asystem equipped with a monocular camera, inertial sensors and a laser pointer isconsidered. The system moves in the surrounding of a planar surface and the laserpointer produces a laser spot on the abovementioned surface. The laser spot isobserved by the monocular camera and represents the only point feature considered.Through an observability analysis it is demonstrated that the physical quantities whichcan be determined by exploiting the measurements provided by the aforementionedsensor suite during a short time interval are: the distance of the system from the planarsurface; the component of the system speed that is orthogonal to the planar surface;the relative orientation of the system with respect to the planar surface; the orientationof the planar surface with respect to the gravity. A simple recursive method toperform the estimation of all the aforementioned observable quantities is provided.All the contributions of this thesis are validated through experimental results usingboth simulated and real data. Thanks to their low computational complexity, theproposed algorithms are very suitable for real time implementation on systems withlimited on-board computation resources. The considered sensor suite is mounted on aquadrotor vehicle but the contributions of this dissertations can be applied to anymobile device.


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