Détection visuelle de fermeture de boucle et applications à la localisation et cartographie simultanées.

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Angeli, Adrien (2008) Détection visuelle de fermeture de boucle et applications à la localisation et cartographie simultanées. Doctorat, UEI - ENSTA, Paris VI p.203.

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Résumé

La détection de fermeture de boucle est cruciale pour améliorer la robustesse des algorithmes de SLAM.

Par exemple, après un long parcours dans des zones inconnues de l’environnement, détecter que le robot est revenu sur une position passée offre la possibilité d’accroître la précision et la cohérence de l’estimation.

Reconnaître des lieux déjà cartographiés peut également être pertinent pour apporter une solution au problème de la localisation globale, ou encore pour rétablir une estimation correcte suite à un “enlèvement” (i.e. lorsque le robot a été déplacé sans être informé du déplacement effectué). Ainsi, résoudre le problème de la détection de fermeture de boucle permet d’améliorer les performances des algorithmes de SLAM, mais cela apporte également des capacités additionnelles aux robots mobiles.

Le but des recherches présentées dans ce mémoire de thèse peut être scindé en deux points. Tout d’abord, nous présentons un algorithme de détection de fermeture de boucle basé vision. Notre méthode repose sur du filtrage Bayésien pour le calcul de la probabilité de détection de fermeture de boucle, en encodant les images sous la forme d’ensembles de primitives locales selon le paradigme des sacs de mots visuels. Lorsqu’une hypothèse de fermeture de boucle reçoit une probabilité élevée, un algorithme de géométries multi-vues est employé pour écarter les “données aberrantes”, en imposant l’existence d’une structure cohérente entre l’image courante et le lieu de fermeture de boucle. La solution proposée est complètement incrémentielle, avec une complexité linéaire en le nombre de lieux visités, ce qui permet de détecter les fermetures de boucles en temps réel.

Deuxièmement, pour démontrer l’intérêt de la détection de fermeture de boucle pour la robotique mobile, nous proposons deux applications différentes de notre solution aux contextes métrique et topologique du SLAM. Dans la première application, nous montrons de quelle manière la détection de fermeture de boucle peut être employée pour la reconnaissance de lieux, afin de construire des cartes topologiques cohérentes de l’environnement : lorsqu’une nouvelle image est acquise, la détection de fermeture de boucle permet de déterminer si elle provient d’un nouveau lieu, ou bien si elle appartient à un lieu existant, mettant à jour la carte en conséquence. Dans la seconde application, la détection de fermeture de boucle sert à localiser la caméra dans un algorithme de SLAM métrique suite à un enlèvement : dès qu’une partie déjà cartographiée de l’environnement est reconnue, l’information fournie par l’algorithme de géométries multi-vues est utilisée pour calculer une nouvelle position et une nouvelle orientation pour la caméra.

Nous démontrons la qualité de nos travaux sur des séquences vidéo acquises dans des environnements d’intérieur, d’extérieur et mixtes (i.e. intérieur / extérieur), sur la base d’une simple caméra monoculaire déplacée à la main, et en présence d’un aliasing perceptuel important (i.e. lorsque plusieurs lieux distincts se ressemblent).

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