Conception d'une charge utile basée vision pour la localisation autonome d'un robot sous-marin et la cartographie de précision.

Monocular Visual-Inertial-Pressure fusion for Underwater localization and 3D mapping.

• Auteur / Autrice : Maxime Ferrera
• Direction : Vincent Creuze, Julien Moras, Pauline Trouvé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : SYAM - Systèmes Automatiques et Micro-Électroniques
• Date : Soutenance le 12/12/2019
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique, de robotique et de micro-électronique (Montpellier ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Oussama Khatib
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Creuze, Julien Moras, Pauline Trouvé, Oussama Khatib, Luc Jaulin, Rafael Garcia, David Filliat, Michel L'Hour
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Luc Jaulin, Rafael Garcia

Mots clés

Mots clés contrôlés

SLAM (langage de programmation)

Vision par ordinateur

Mots clés libres

Vision par ordinateur

Slam

Robotique sous-Marine

Computer Vision

Slam

Underwater Robotics

Résumé

Cette thèse aborde le problème de la localisation et cartographie 3D sous-marine en temps-réel. Dans le domaine de l'archéologie sous-marine, des véhicules téléopérés (ROV – Remotely Operated Vehicle) sont utilisés pour étudier les sites. La localisation et la cartographie précises en temps-réel sont des informations essentielles pour le pilotage manuel ou automatique de ces engins. Bien que plusieurs solutions de localisation existent, la plupart d'entre elles reposent sur l'utilisation de capteurs tels que les lochs Doppler (DVL – Doppler Velocity Log) ou les centrales inertielles à gyroscopes à fibre optique,qui sont très coûteux et peuvent être trop volumineux ou trop lourds pour les ROVs les plus petits. Les systèmes de positionnement acoustique sont également fréquemment utilisés en complément des systèmes précédents, mais leur fréquence d’échantillonnage et leur précision sont limitées.Dans cette thèse, nous étudions l'utilisation de capteurs à faible coût pour la localisation sous-marine.Notre étude porte sur l'utilisation d'une caméra monoculaire, d'un capteur de pression et d'une centrale inertielle MEMS (Micro ElectroMechanical System) à faible coût comme seul moyen de localisation et de cartographie en contexte archéologique sous-marin.Nous avons mené une évaluation de différentes méthodes de suivi de point d'intérêts sur des images affectées par des perturbations typiques rencontrées dans un contexte sous-marin. À partir des résultats obtenus nous avons développé une méthode monoculaire de SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) robuste aux perturbations spécifiques de l’environnement sous-marin. Ensuite, nous proposons une extension de cette méthode pour intégrer étroitement les mesures du capteur de pression etde la centrale inertielle dans l’algorithme de SLAM. La méthode finale fournit une localisation très précise et s'exécute en temps-réel. En outre, un module de reconstruction 3D dense, en ligne, compatible avec une configuration monoculaire, est également proposé. Deux prototypes compacts et légers de ce système nt été conçus et utilisés pour enregistrer des jeux de données qui ont été publiés. En outre, ces prototypes ont été utilisés avec succès pour tester et valider en conditions réelles les algorithmes de localisation et de cartographie proposés.

This thesis addresses the problem of real-time 3D localization and mapping in underwater environments.In the underwater archaeology field, Remotely Operated Vehicles (ROVs) are used to conduct deep-seasurveys and excavations. Providing both accurate localization and mapping information in real-time iscrucial for manual or automated piloting of the robots. While many localization solutions already existfor underwater robots, most of them rely on very accurate sensors, such as Doppler velocity logs or fiberoptic gyroscopes, which are very expensive and may be too bulky for small ROVs. Acoustic positioningsystems are also commonly used for underwater positioning, but they provide low frequencymeasurements, with limited accuracy.In this thesis, we study the use of low-cost sensors for accurate underwater localization. Our studyinvestigates the use of a monocular camera, a pressure sensor and a low-cost MEMS-IMU as the onlymeans of performing localization and mapping in the context of underwater archaeology.We have conducted an evaluation of different features tracking methods on images affected by typicaldisturbances met in an underwater context. From the results obtained with this evaluation, we havedeveloped a monocular Visual SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) method, robust to thespecific disturbances of underwater environments. Then, we propose an extension of this method totightly integrate the measurements of a pressure sensor and an IMU in the SLAM algorithm. The finalmethod provides a very accurate localization and runs in real-time. In addition, an online dense 3Dreconstruction module, compliant with a monocular setup, is also proposed. Two lightweight and compactprototypes of this system have been designed and used to record datasets that have been publiclyreleased. Furthermore, these prototypes have been successfully used to test and validate the proposedlocalization and mapping algorithms in real-case scenarios.