Study on the Use of Vision and Laser Range Sensors with Graphical Models for the SLAM Problem

by Ellon Paiva mendes

Doctoral thesis in Robotique et Automatique

Under the supervision of Simon Lacroix.

defended on 12-07-2017

in Toulouse, INSA , under the authority of Systèmes , in a partnership with Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (laboratoire) and Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes [Toulouse] / LAAS (laboratoire) .

Thesis committee President: Rachid Alami.

Thesis committee members: Simon Lacroix, Philippe Bonnifait, Joan Sola.

Examiners: Roland Chapuis, Luc Jaulin.


  • Abstract

    A strong requirement to deploy autonomous mobile robots is their capacity to localize themselves with a certain precision in relation to their environment. Localization exploits data gathered by sensors that either observe the inner states of the robot, like acceleration and speed, or the environment, like cameras and Light Detection And Ranging (LIDAR) sensors. The use of environment sensors has triggered the development of localization solutions that jointly estimate the robot position and the position of elements in the environment, referred to as Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) approaches. To handle the noise inherent of the data coming from the sensors, SLAM solutions are implemented in a probabilistic framework. First developments were based on Extended Kalman Filters, while a more recent developments use probabilistic graphical models to model the estimation problem and solve it through optimization. This thesis exploits the latter approach to develop two distinct techniques for autonomous ground vehicles: oneusing monocular vision, the other one using LIDAR. The lack of depth information in camera images has fostered the use of specific landmark parametrizations that isolate the unknown depth in one variable, concentrating its large uncertainty into a single parameter. One of these parametrizations, named Parallax Angle Parametrization, was originally introduced in the context of the Bundle Adjustment problem, that processes all the gathered data in a single global optimization step. We present how to exploit this parametrization in an incremental graph-based SLAM approach in which robot motion measures are also incorporated. LIDAR sensors can be used to build odometry-like solutions for localization by sequentially registering the point clouds acquired along a robot trajectory. We define a graphical model layer on top of a LIDAR odometry layer, that uses the Iterative Closest Points (ICP) algorithm as registration technique. Reference frames are defined along the robot trajectory, and ICP results are used to build a pose graph, used to solve an optimization problem that enables the correction of the robot trajectory and the environment map upon loop closures. After an introduction to the theory of graphical models applied to SLAM problem, the manuscript depicts these two approaches. Simulated and experimental results illustrate the developments throughout the manuscript, using classic and in-house datasets.

  • Alternative Title

    Étude sur l'exploitation de la vision et d'un télémètre laser avec des modèles graphiques probabilistes appliqués au problème de la cartographie et localisation simultanées


  • Abstract

    La capacité des robots mobiles à se localiser précisément par rapport à leur environnement est indispensable à leur autonomie. Pour ce faire, les robots exploitent les données acquises par des capteurs qui observent leur état interne, tels que centrales inertielles ou l’odométrie, et les données acquises par des capteurs qui observent l’environnement, telles que les caméras et les Lidars. L’exploitation de ces derniers capteurs a suscité le développement de solutions qui estiment conjointement la position du robot et la position des éléments dans l'environnement, appelées SLAM (Simultaneous Localization and Mapping). Pour gérer le bruit des données provenant des capteurs, les solutions pour le SLAM sont mises en œuvre dans un contexte probabiliste. Les premiers développements étaient basés sur le filtre de Kalman étendu, mais des développements plus récents utilisent des modèles graphiques probabilistes pour modéliser le problème d’estimation et de le résoudre grâce à techniques d’optimisation. Cette thèse exploite cette dernière approche et propose deux techniques distinctes pour les véhicules terrestres autonomes: une utilisant la vision monoculaire, l’autre un Lidar. L’absence d’information de profondeur dans les images obtenues par une caméra a mené à l’utilisation de paramétrisations spécifiques pour les points de repères qui isolent la profondeur inconnue dans une variable, concentrant la grande incertitude sur la profondeur dans un seul paramètre. Une de ces paramétrisations, nommé paramétrisation pour l’angle de parallaxe (ou PAP, Parallax Angle Parametrization), a été introduite dans le contexte du problème d’ajustement de faisceaux, qui traite l’ensemble des données en une seule étape d’optimisation globale. Nous présentons comment exploiter cette paramétrisation dans une approche incrémentale de SLAM à base de modèles graphiques, qui intègre également les mesures de mouvement du robot. Les Lidars peuvent être utilisés pour construire des solutions d’odométrie grâce à un recalage séquentiel des nuages de points acquis le long de la trajectoire. Nous définissons une couche basée sur les modèles graphiques au dessus d’une telle couche d’odométrie, qui utilise l’algorithme ICP (Iterative Closest Points). Des repères clefs (keyframes) sont définis le long de la trajectoire du robot, et les résultats de l’algorithme ICP sont utilisés pour construire un graphe de poses, exploité pour résoudre un problème d’optimisation qui permet la correction de l’ensemble de la trajectoire du robot et de la carte de l’environnement à suite des fermetures de boucle.Après une introduction à la théorie des modèles graphiques appliquée au problème de SLAM, le manuscrit présente ces deux approches. Des résultats simulés et expérimentaux illustrent les développements tout au long du manuscrit, en utilisant des jeux des données classiques et obtenus au laboratoire.


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This thesis has resulted in a publication by in 2017 by INSA [diffusion/distribution] in Toulouse

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Informations

  • Under the title: Study on the Use of Vision and Laser Range Sensors with Graphical Models for the SLAM Problem
  • Details : 1 vol. (viii-106 p.)
  • Annexes : Bibliographie p.103-106
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