Alshawa Majd 2010r

5/26/2018 Alshawa Majd 2010r

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N dordre:

cole Doctorale Mathmatiques, Sciences de l'Information

et de l'IngnieurUdSINSAENGEES

THSEprsente pour obtenir le grade de

Docteur de lUniversit de Strasbourg

Discipline : Gnie civilSpcialit Topographie

par

Majd ALSHAWA

Contribution la cartographie mobile :dveloppement et caractrisation dun systme bas sur un scanner

laser terrestre

Soutenue publiquement le 8 janvier 2010

Membres du jury

Prsident : M. Jihad ZALLAT, Professeur des UniversitsRapporteur externe : M. Michel KASSER, Professeur des UniversitsRapporteur externe : M. Fawzi NASHASHIBI, Ingnieur de RechercheDirecteur de thse : M. Pierre GRUSSENMEYER, Professeur des UniversitsMembre invit : Eddie SMIGIEL, Matre de Confrences

MAP-PAGE UMR 694


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REMERCIEMENTS

Je tiens tout dabord remercier mon responsable de doctorat au sein du labo MAP-PAGE, Pierre GRUSSENMEYER, pour le temps quil ma consacr et les conseils quil maprodigus. Je lui suis particulirement reconnaissant pour son encadrement de qualit et pour sadisponibilit.

Mes remerciements sincres vont aussi Eddie SMIGIEL pour tout le temps productifque nous avons pass ensemble, pour sa patience, son coute, ses suggestions et son aideinestimable pendant la correction de la thse.

Je remercie les membres du jury de m'avoir fait l'honneur de consacrer de leur tempsprcieux la lecture prcise du manuscrit.

Jadresse mes remerciements Daniel LEVY, Bernard GRANDMOUGIN, ChristopheCORDIER et Samuel GUILLEMIN pour le coup de main prcieux quils mont donn. Merci toutes les personnes qui ont particip de prs ou de loin lachvement de cette recherche. Mercipour vos notes constructives, merci pour vos critiques.

Je remercie tout particulirement Hakim, Chokri et Fayez, mes collgues de recherche,qui ont toujours cru en ce sujet malgr les difficults rencontres et qui mont toujours soutenu

tous les niveaux.

Jadresser mes remerciements aussi lentreprise Flying-Robots et notamment auxingnieurs Henri GEIST et Vincent RIGAU pour lchange scientifique et technique qui a eu lieuentre nous pendant ce travail.

Je remercie les membres de jury qui me font l'honneur d'valuer la contribution de cetravail. Japprcie rellement leur temps consacr la relecture prcis de ce manuscrit.

Merci au gouvernement de la Syrie qui a soutenu financirement mes tudes suprieuresen France. Japprcie profondment leur politique douverture scientifique vers le monde entier.

Merci enfin, ma femme, Abir pour son encouragement et son soutien. Merci de nemavoir jamais abandonn. Merci de ta patience sur mon rythme de vie.


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CCoonnttrriibbuuttiioonnllaaccaarrttooggrraapphhiieemmoobbiillee::ddvveellooppppeemmeenntteettccaarraaccttrriissaattiioonndduunnssyyssttmmeebbaass

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Sommaire

1. Introduction et problmatique ............................................................................................... 11.1 Prsentation du laboratoire de recherche ....................................................................... 11.2 Problmatique de la thse .............................................................................................. 1

1.1.1 Le problme gnral de la cartographie mobile ..................................................... 11.2.1 Systme original ..................................................................................................... 2

1.3 Les problmes lis au systme conu ............................................................................ 31.3.1 Le problme du scanner .......................................................................................... 31.3.2 Le problme du systme de navigation par inertie ................................................. 3

1.4 Enjeu des systmes laser mobiles moyenne prcision ................................................ 41.5 La place du sujet par rapport aux systmes et les techniques comparables ................... 4

1.5.1

Cartographie mobile o voiture autonome ? .......................................................... 4

1.5.2 Cartographie mobile ou SLAM ? ........................................................................... 51.5.3 Cartographie mobile ou navigation pdestre ? ....................................................... 61.5.4 Temps rel ou post-traitement ? ............................................................................. 7

1.6 Plan du mmoire ............................................................................................................ 7Partie 1. Etat de lart...................................................................................................................... 9

2. La cartographie mobile ........................................................................................................ 112.1 Introduction .................................................................................................................. 112.2

Exemples de systmes de cartographie mobile ............................................................ 12

2.2.1 LaRA .................................................................................................................... 122.2.2 STEREOPOLIS .................................................................................................... 122.2.3 Les chariots mobiles ............................................................................................. 13

2.3 Rcapitulatif ................................................................................................................. 142.4 Note de conclusion ....................................................................................................... 16

3. Le positionnement par GPS................................................................................................. 193.1 Introduction gnrale du GPS ...................................................................................... 193.2 Spcifications du signal GPS ....................................................................................... 193.3 Principe de la mesure de la position par GPS .............................................................. 213.4 La mesure de la vitesse par GPS .................................................................................. 223.5 Les sources d'erreur...................................................................................................... 22

3.5.1 Erreur des satellites ............................................................................................... 223.5.2 Erreur de propagation atmosphrique................................................................... 233.5.3 Multi-trajet ............................................................................................................ 23


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3.5.4 Erreurs lies aux rcepteurs .................................................................................. 233.6 Les critres de prcision ............................................................................................... 233.7 Les rcepteurs GPS ...................................................................................................... 253.8 Le GPS haute sensibilit HSGPS .............................................................................. 253.9 Utilisation dun GPS bifrquences............................................................................... 263.10 Le GPS diffrentiel (DGPS) ........................................................................................ 27

3.10.1 Les techniques bases sur le code ......................................................................... 273.10.2 Les techniques bases sur la phase ....................................................................... 283.10.3 Le GPS en mode dynamique ................................................................................ 29

3.11 Le RTK ........................................................................................................................ 303.12 Calcul de lattitude par GPS........................................................................................ 303.13 Le GNSS (Global Navigation Satellite System) .......................................................... 31

4. La centrale inertielle IMU et la centrale de cap et de verticale AHRS ............................... 334.1 Les dtecteurs de vitesse angulaire .............................................................................. 33

4.1.1 MEMS (microsystme lectromcanique) ........................................................... 334.1.2 Leffet Coriolis..................................................................................................... 344.1.3 Les gyroscopes MEMS effet Coriolis (gyroscopes vibration) ........................ 34

4.2 Les dtecteurs dacclration....................................................................................... 354.2.1 Acclromtres mcaniques ................................................................................. 354.2.2 Microacclromtre ( semi-conducteur) ............................................................. 35

4.3 Les capteurs magntiques ............................................................................................ 364.3.1 Le champ magntique terrestre ............................................................................. 364.3.2 Dtecteurs lectroniques du champ terrestre (moyen) ......................................... 37

4.4 La navigation inertielle/magntique ............................................................................ 374.5 La centrale inertielle .................................................................................................... 38

4.5.1 La mcanisation de lINS ..................................................................................... 404.6 Systme de rfrence dorientation et de cap AHRS................................................... 424.7 Les erreurs de navigation inertielle/magntique .......................................................... 43

4.7.1

Au niveau du capteur ............................................................................................ 43

4.7.1.1 Les erreurs des gyromtres \ acclromtres .................................................... 434.7.1.1.1 Le biais ....................................................................................................... 444.7.1.1.2 Lerreur du facteur dchelle ...................................................................... 454.7.1.1.3 Le bruit ....................................................................................................... 46

4.7.1.2 Les erreurs des magntomtres ......................................................................... 47


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4.7.1.2.1 Le ferromagntisme dur/doux .................................................................... 474.7.2 Le niveau du systme ........................................................................................... 48

4.8 Le modle derreurs pour la centrale inertielle............................................................ 484.9 Le modle derreurs de lAHRS.................................................................................. 49

5. Le Filtre de Kalman et ses applications la navigation ...................................................... 515.1 Les espaces tat-mesures : ........................................................................................... 515.2 Le Filtre de Kalman ..................................................................................................... 52

5.2.1 Le modle de temps discret .................................................................................. 525.2.1.1 La boucle prdictioncorrection ..................................................................... 53

5.2.1.1.1 La prdiction .............................................................................................. 545.2.1.1.2 La correction .............................................................................................. 54

5.2.2 Filtre de Kalman tendu ....................................................................................... 545.3 Lintgration des capteurs de trajectomtrie................................................................ 565.4 Intgration GPS/IMU ................................................................................................... 57

5.4.1 Larchitecture de lintgration.............................................................................. 575.4.2 La mise au point du filtre ...................................................................................... 59

5.4.2.1 Intgration GPS/INS ......................................................................................... 595.4.2.2 Intgration de GPS/IMU/Odomtre .................................................................. 615.4.2.3 Intgration GPS/AHRS ..................................................................................... 61

6. Le scanner laser terrestre TLS ............................................................................................. 636.1 Classification des systmes de mesure terrestre par laser ............................................ 63

6.1.1 Selon la dimensionnalit de la mesure ................................................................. 646.1.2 Selon le principe de la mesure de distance ........................................................... 64

6.1.2.1 Par mesure de temps de vol .............................................................................. 656.1.2.2 Par mesure de diffrence de phase .................................................................... 65

6.1.3 Selon les dispositifs de dflexion de la lumire laser ........................................... 666.2 La caractristique dun scanner Laser terrestre TLS................................................... 686.3 La caractristique dun scanner dynamique terrestre................................................... 696.4

Les scanners laser aroports ALS .............................................................................. 71

6.5 Les erreurs du scanner laser terrestre ........................................................................... 72

6.5.1 Les erreurs alatoires instrumentales .................................................................... 726.5.2 Les erreurs en relation avec lobjet....................................................................... 736.5.3 Erreurs environnementales ................................................................................... 74

6.6 La modlisation des erreurs du TLS ............................................................................ 74


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Partie 2. La conception du systme............................................................................................ 777. Oprations pralables aux missions mobiles ....................................................................... 79

7.1 Composants du systme ............................................................................................... 797.2 Mise en route du systme ............................................................................................. 807.3 La liaison entre les capteurs ......................................................................................... 817.4 talonnage du systme ................................................................................................. 83

7.4.1 Validation des rsultats ......................................................................................... 887.5 La synchronisation entre les composants du systme .................................................. 90

7.5.1 Introduction .......................................................................................................... 907.5.2 Tests et observations ............................................................................................. 917.5.3 Dcodage des fichiers binaires ............................................................................. 93

7.5.3.1 Lecture en mode texte ....................................................................................... 937.5.3.2 Lecture en mode binaire .................................................................................... 93

7.5.4 Validation de la mthode ...................................................................................... 947.6 Le gorfrencement direct .......................................................................................... 957.7 Analyse pralable des erreurs ...................................................................................... 97

7.7.1 Cas de la calibration ............................................................................................. 977.7.2 Cas de la synchronisation ..................................................................................... 98

8. Le traitement de trajectomtrie et la production du nuage de points ................................ 1018.1 Traitement de trajectomtrie ...................................................................................... 101

8.1.1 Intgration GPS /AHRS...................................................................................... 1028.1.1.1 Reconstitution de la position ........................................................................... 1038.1.1.2 La mthode dajustage des polynmes........................................................... 1038.1.1.3 La modlisation par plusieurs polynmes ....................................................... 105

8.1.1.3.1 Dcoupage du trajet .................................................................................. 1058.1.1.3.2 Ajustage contraint des polynmes ............................................................ 1068.1.1.3.3 La modlisation par position-vitesse ........................................................ 107

8.1.2 Intgration GPS RTK/HSGPS ............................................................................ 1088.1.3

La corrlation position/attitude ........................................................................... 111

8.2 Le nuage de points ..................................................................................................... 114

8.2.1 La rsolution ....................................................................................................... 1158.2.2 Langle dincidence............................................................................................ 1168.2.3 Les points zro .............................................................................................. 1178.2.4 La sparation en profils ...................................................................................... 117


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8.2.5 Note de conclusion ............................................................................................. 118Partie 3. Lvaluation des rsultats......................................................................................... 119

9. Les erreurs du systme ...................................................................................................... 1219.1 Introduction ................................................................................................................ 1219.2 Lexactitude............................................................................................................... 121

9.2.1 Comparaison du nuage mobile avec un plan cadastrale ..................................... 1219.2.2 Comparaison du nuage mobile avec un nuage fixe ............................................ 1229.2.3 Comparaison du nuage mobile avec un nuage LiDAR aroport ...................... 124

9.3 La prcision ................................................................................................................ 1249.4 Le modle des erreurs de lAHRS............................................................................. 125

9.4.1 Simulation du filtre embarqu sur lAHRS........................................................ 1259.4.1.1 Le filtre GPS/IMU .......................................................................................... 1269.4.1.2 Le filtre Mag/IMU .......................................................................................... 127

9.4.2 Le modle derreur du nuage de points .............................................................. 1299.4.2.1 Effet des erreurs de position ........................................................................... 1299.4.2.2 Effet des erreurs de lattitude.......................................................................... 1299.4.2.3 Effet des erreurs du scanner ............................................................................ 130

9.4.3 La matrice de covariance .................................................................................... 1319.5 Discussion .................................................................................................................. 132

10. Exprimentation............................................................................................................. 13910.1 Cas dtude n 1......................................................................................................... 141

10.1.1 Calcul du nuage .................................................................................................. 14110.1.2 Le modle derreurs............................................................................................ 14410.1.3 Lexactitude........................................................................................................ 148

10.2 Cas dtude n2.......................................................................................................... 14910.2.1 Le modle derreurs............................................................................................ 15010.2.2 Lexactitude........................................................................................................ 150

10.3 Cas dtude n3.......................................................................................................... 15210.4

Note de conclusion ..................................................................................................... 156

Partie 4. Les solutions futures.................................................................................................. 157

11. Lapportde la photogrammtrie la navigation ........................................................... 15911.1 Lappareil photo utilis.............................................................................................. 15911.2 La synchronisation ..................................................................................................... 15911.3 La calibration ............................................................................................................. 160


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11.4 Le gorfrencement direct ........................................................................................ 16311.5 Calcul des coordonnes approches ........................................................................... 16411.6 Lajustement de bande simultan............................................................................... 16611.7 Lintgration GPS/AHRS/photo ................................................................................ 16911.8 Exprimentation ......................................................................................................... 170

11.8.1 Traitement du trajet ............................................................................................ 17111.8.2 Premier calcul du nuage de points ...................................................................... 17211.8.3 Le calcul photogrammtrique ............................................................................. 17211.8.4 Intgration INS/photo ......................................................................................... 17411.8.5 Intgration INS/photo + GPS/AHRS .................................................................. 17511.8.6 Le calcul du nuage par gorfrencement direct ................................................ 17611.8.7 Validation des rsultats ....................................................................................... 178

11.9 Note de conclusion ..................................................................................................... 17912. Ouverture vers la modlisation ...................................................................................... 181

12.1 La modlisation des donnes mobiles ........................................................................ 18112.1.1 Introduction ........................................................................................................ 18112.1.2 Traitement des donnes ...................................................................................... 181

12.1.2.1 La segmentation ............................................................................................ 18112.1.2.2 Extraction des contours ................................................................................. 183

12.2 Note de conclusion ..................................................................................................... 18413. Perspectives et conclusion ............................................................................................. 185

13.1 Perspectives et travaux futurs .................................................................................... 18513.2 Contributions de la thse la recherche scientifique ................................................. 18613.3 Conclusion ................................................................................................................. 187

Annexes ........................................................................................................................................ 189


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Liste des figures

Figure 1.1 Course entre deux voitures autonomes lors du challenge urbain DARPA 2007 ........................................... 5Figure 2.1 Vhicule LaRA amnag pour des relevs mobiles et tlmtre laser coupl avec un capteur il-de-

poisson................................................................................................................................................................. 12Figure 2.2 a : Vue gnrale du systme Stropolis avec les capteurs imageurs. b : centrale inertielle et units

pilotage-stockage. c : odomtre install sur la roue arrire gauche. .................................................................... 13Figure 2.3 Chariot Swiss trolley et GRP System FX ................................................................................................... 14Figure 2.4 Exemples de systmes commerciaux (LAND Market LYNX).......................................................... 16Figure 3.1 Modulation de phase du signal GPS ........................................................................................................... 20Figure 3.2 Gomtrie non favorable et favorable des satellites ................................................................................... 23Figure 3.3 Interfromtrie singulire par GPS vers un seul satellite et double interfromtrie vers deux satellites .... 28Figure 3.4 Configuration de quatre antennes GPS pour dterminer lattitude ............................................................. 31Figure 3.5 Carte du ciel de Strasbourg pour une dure de deux heures (GPS+ GLONASS et GPS seulement) .......... 32Figure 4.1 Concept de lacclration de Coriolis......................................................................................................... 34Figure 4.2 Schma de conception dacclromtre mcaniqueet dacclromtre effet Hall.................................. 35Figure 4.3 lments du champ magntique ................................................................................................................. 36Figure 4.4 Schma de principe dun capteur hybride combinant un gyroscope et un acclromtre sur la mme puce

............................................................................................................................................................................. 38Figure 4.5 Centrale inertille monte sur cardan ........................................................................................................... 39Figure 4.6 Configuration dune centrale inertielle composants lis : schma simplifi et montage commercial ...... 40Figure 4.7 Schma de la mcanisation de la centrale inertielle dans le repre de navigation ...................................... 41Figure 4.8 Schma fonctionnel des erreurs du gyroscope ............................................................................................ 44Figure 4.9 Schma fonctionnel des erreurs de lacclromtre.................................................................................... 44Figure 4.10 Schma montrant les erreurs de biais, de facteur dchelle et de rsolution dun gyromtre fibres

optiques. .............................................................................................................................................................. 46Figure 4.11 Bilan derreurs subis par un capteur MEMS (gyromtre, acclromtre) ................................................ 47Figure 5.1 Trois modes du couplage GPS/INS ............................................................................................................ 58Figure 5.2 Feedback de la solution de Kalman la mcanisation de lINS................................................................. 60Figure 5.3 Principe dun odomtre optique disque dalternance opaque-transparente .............................................. 61Figure 6.1 Scanners non-topographiques. .................................................................................................................... 63Figure 6.2 Scanners 1D, 2D et 3D de gauche droite ................................................................................................. 64Figure 6.3 Principe de mesure de distance par mesure de temps de vol ...................................................................... 65Figure 6.4 Modulation des signaux laser ..................................................................................................................... 66Figure 6.5 Principe de scanner deux miroirs oscillants ............................................................................................. 67Figure 6.6 Scanner SICK-LMS 200 : le principe du miroir tournant 2D et la migration en 3D................................ 67Figure 6.7 Principe du scanner miroir polygonal ...................................................................................................... 68Figure 6.8 Processus dacquisition de surfacepar un scanner ..................................................................................... 68Figure 6.9 Cordonnes sphriques du TLS .................................................................................................................. 69Figure 6.10 Scanner HDL-64E S2 install sur un systme de cartographie mobile ..................................................... 69Figure 6.11 Configuration de langle mort du scanner vers le haut choisi par Roadscanner....................................... 70Figure 6.12 Scanners SICK LD-LRS usage industriel .............................................................................................. 70Figure 6.13 Principe de la synchronisation active ........................................................................................................ 71Figure 6.14 Scanner LMS-Q560, retour donde complet, embarqu sur le vhicule Fallbeispiel MLS am Auto. .... 72Figure 6.15 Effet du bruit et du sautillement au niveau du discriminateur de temps ................................................... 73Figure 6.16 Emprise du rayon laser sur deux surfaces cartes qui engendre de multi-retours du signal .................... 74Figure 7.1 Prototype de plateforme mobile .................................................................................................................. 80


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Figure 7.2 Cadrage de la fentre balayer et deux concordances possibles entre la direction du dplacement et larotation horizontale. ............................................................................................................................................ 81

Figure 7.3Schma de connexion avec un seul rcepteur GPS ..................................................................................... 82Figure 7.4 Interface de Pointscape avec le calcul du stationnement........................................................................ 84Figure 7.5 Sens de mesure des angles .......................................................................................................................... 86Figure 7.6 Roulis mesur au 4me test ........................................................................................................................... 87Figure 7.7 Nuage de points acquis en mode statique du scanner et calcul laide de GPS/INS................................ 90Figure 7.8 Interface de Wireshark ; (Ti, Ti+1) linstant de transfert des couples de colonnes i, i+1........................... 92Figure 7.9 Montage de la station inertielle ................................................................................................................... 94Figure 7.10 Acclrations mesures selon laxe Yb avec une reprsentation des instants PSH dduits de fichiers du

programme espion . ........................................................................................................................................ 95Figure 7.11 Plateforme mobile et les dnominations essentielles concernant le gorfrencement direct laser. ......... 96Figure 8.1 Distribution des profils lors de la numrisation partir dun trajet non droit ..................................... 101Figure 8.2 Interpolation ncessaire pour accorder les mesures GPS/AHRS +TLS .................................................... 102Figure 8.3 Distinction entre la phase mobile et la phase statique de la mission dpendant de la vitesse angulaire ... 103Figure 8.4 Dcoupage dun trajet en trois sous-trajets selon un seuil ds donn ......................................................... 106Figure 8.5 Schma de la liaison GPS/AHRS utilise sur le systme ......................................................................... 108Figure 8.6 Trajectographie 2D mesure par deux rcepteurs GPS............................................................................. 109Figure 8.7 Plan 2D des points apparis entre les trajets GPS ..................................................................................... 109Figure 8.8 Trajet mesur haute sensibilit recal vers les points RTK .................................................................... 110Figure 8.9 Trajet reconstitu par ajustement des courbes partir des donnes prcdentes ...................................... 110Figure 8.10 Principe de navigation lestime (corrlation des coordonnes planaires-cap) ...................................... 111Figure 8.11 Bruit du cap calcul par la navigation lestim et filtrage par un filtre passe bas ................................ 112Figure 8.12 Comparaison entre le cap calculpar navigation lestime et le cap sortant de lAHRS440 ................ 113Figure 8.13 Forme finale du lacet qui garantit au mieux la corrlation entre la position et lattitude ........................ 114Figure 8.14 Nuage de point comme numris dans PointScape et corrig spatialement ....................................... 115Figure 8.15 Nuage mobile acquis avec une vitesse de marche ~3km/h ..................................................................... 116Figure 8.16 Deux faades balayes grce lorientation du scanner......................................................................... 116Figure 8.17 Points zro et leurs voisins ...................................................................................................................... 117Figure 8.18 Nuage de points spar automatiquement en ensemble de profils .......................................................... 118Figure 9.1 Coupe horizontale dans une superposition CAO- nuage de points ........................................................... 122Figure 9.2 Superposition mobilefixe et constat de diffrence de proprits gomtrique entre les nuages. .......... 123Figure 9.3 Superposition des deux nuages mobile terrestre et LiDAR ...................................................................... 124Figure 9.4 Deux tapes de filtre cascad suggr pour simuler le filtre embarqu sur la centrale AHRS-440 de

Crossbow ......................................................................................................................................................... 126Figure 9.5 Variation de la composante sur le point tudi.................................................................. 133Figure 9.6 Variation de la composante sur le point tudi .................................................................. 134Figure 9.7 Variation de la composante sur le point tudi .................................................................... 134Figure 9.8 Effet des erreurs de lattitude sur le semis des points acquis selon les paramtres et les mesu res des

tableaux 9.3 et 9.4 ............................................................................................................................................. 137Figure 10.1 Image arienne du boulevard de la victoire Strasbourg ....................................................................... 139Figure 10.2 Nuage de points superpos au plan CAO du boulevard de la victoire .................................................... 140Figure 10.3 Disponibilit des satellites et GDOP sur une priode de 3h ................................................................... 140Figure 10.4 Points du trajet mesurs par le GPS ........................................................................................................ 141Figure 10.5 Vitesses NDE calcules par la centrale AHRS 440 ................................................................................ 142Figure 10.6 Trajet calcul et filtr ramens au point de dpart .................................................................................. 143Figure 10.7 Filtrage du lacet selon le principe de la navigation lestime................................................................ 143


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Figure 10.8 Nuage de points rsultant ........................................................................................................................ 144Figure 10.9 Attitude comme sortie du filtre embarqu sur lAHRS attitude simule par notre filtre GPS/INS...... 144Figure 10.10 Cap magntique compens mesur par lAHRSet filtr ...................................................................... 145Figure 10.11 Diffrence entre lattitude calcule par le filtre de Kalman embarqu sur le processeur interne de

lAHRS et notre calcul ...................................................................................................................................... 146Figure 10.12 Covariances du roulis et du tangage selon notre simulation du filtre embarqu ................................... 147Figure 10.13 Covariance du lacet ............................................................................................................................... 147Figure 10.14 Cartographie de lcart-type calcul pour le nuage tudi .................................................................... 148Figure 10.15 Vue latrale de la superposition des nuages LiDAR aroport et laser terrestre .................................. 149Figure 10.16 Nuage de point cartographi selon la prcision estime ....................................................................... 150Figure 10.17 Nuage fixe considr comme rfrence ................................................................................................ 151Figure 10.18 Ecarts entre le nuage mobile et le maillage construit partir du nuage fixe servant de rfrence ........ 151Figure 10.19 Test du systme mobile apres montage sur une remorque attele un vehicule. ................................. 152Figure 10.20 Distinction entre les parties linaires et les virages laide de la courbe du lacet ................................ 153Figure 10.21 Mesures GPS RTK pour lchantillon tudi. Les points verts prsentent le dbut et la fin du virage et

les points rouges prsente la jonction entre deux courbes. ................................................................................ 153Figure 10.22 Nuage de points acquis une vitesse moyenne de 12 km/h.................................................................. 154Figure 10.23 Superposition entre le nuage LiDAR et le nuage mobile terrestre ........................................................ 155Figure 10.24 Exemple des lignes droites comparer ................................................................................................. 155Figure 11.1 Comparaison entre le temps rel de prise de vue lu directement sur la photo et le temps denregistrement

rcupr de Windows ...................................................................................................................................... 160Figure 11.2 Calibration partir dun nuage de points dense et dune photo.............................................................. 161Figure 11.3 Relation entre les repres de lappareil photo et de lAHRS.................................................................. 162Figure 11.4 Diagramme illustrant les oprations ncessaires pour raliser la calibration de lappareil photo dans le

systme mobile. ................................................................................................................................................. 163Figure 11.5 Calcul des coordonnes approches pour un point mesur sur la photo ................................................. 166Figure 11.6 Reconstitution panoramique partir des photos acquises en mode mobile ............................................ 171Figure 11.7 Coordonnes du trajet total parcouru ...................................................................................................... 171Figure 11.8 Trajet dduit par un ajustement dune courbe de neuvime degr.......................................................... 172Figure 11.9 Nuage de points correspondant ltendue des photos tudies............................................................ 172Figure 11.10 Comparaison entre le lacet mesur par lAHRS et dduit par le calcul de bande ................................. 174Figure 11.11 Lacet corrig par le filtre de Kalman tendu ......................................................................................... 174Figure 11.12 Forme finale de la courbe du lacet aprs avoir appliqu le filtre dcentralis de Kalman. ................... 175Figure 11.13 Variation de lerreur moyenne quadratique du lacet avec le temps...................................................... 176Figure 11.14 Nuage de points obtenu aprs correction des lments du trajet par la mthode photogrammtrique. . 177Figure 11.15 Dformation locale corrige par lapport de la photogrammtrie ......................................................... 177Figure 11.16 Logiciel CloudCompare avec la fentre de lhistogramme des diffrences .......................................... 178Figure 11.17 Histogramme des carts entre le nuage laser mobile et le nuage issu des traitements

photogrammtriques. ......................................................................................................................................... 179Figure 12.1 Exemple dun nuage segment en sous-groupes coplanaires laide de la mthode de RANSACadaptive. ............................................................................................................................................................ 182Figure 12.2 Scne segmente en sous-groupes coplanaires laide de la mthode de RANSAC adaptive............... 182Figure 12.3 Triangulation de Delaunay 2D et dtection des points des contours ...................................................... 183


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Liste des tableaux

Tableau 2.1 Exemples de systmes de cartographie mobile existants ......................................................................... 16Tableau 5.1 Techniques susceptibles sintgrer la navigation inertielle pour des applications extrieurs ................ 56Tableau 7.1 Calcul dune attitude moyenne de lINS en statique................................................................................ 87Tableau 7.2 Comparaison entre les coordonnes de rfrence et celles calcules aprs ltalonnage......................... 88Tableau 7.3 Ecarts entre un nuage de points acquis et calcul en mode statique du scanner et par lintgration de

GPS/INS .............................................................................................................................................................. 89Tableau 9.1 Valeurs correspondantes la numrisation mobile du point tudi ....................................................... 133Tableau 9.2 Paramtres de la calibration du systme pour le prochain lexemple ..................................................... 135Tableau 9.3 Jeu des mesures (attitudecoordonnes polaires du scanner) reprsentant un chantillon pour ltude de

propagation des erreurs ..................................................................................................................................... 135Tableau 9.4 Valeurs calcules des erreurs triaxiales du semis des points .................................................................. 136Tableau 10.1 Ecarts types du calcul dajustementdu plan moyen ........................................................................... 148Tableau 10.2 Ecarts (distance et angle) entre les plans LiDAR et terrestre ..................................................... 149Tableau 10.3 Ecarts algbriques linaires et angulaires entre les lignes des arrte extraites du nuage Lidar et laser

terrestre mobile. ................................................................................................................................................. 156Tableau 11.1 Ecarts des lments dorientation externe (AHRS-photo) .................................................................... 173Tableau 11.2 Erreur quadratique moyenne de lestimation des lments dorientation externe par la technique

dajustement de bande ....................................................................................................................................... 173


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Glossaire

AHRS: Attitude and Heading Reference Systems

ALS: Aerial Laser Scanning.

DGPS: Differential Global Positioning System

DMI: Distance Measurement Instrument

EFK: Extended Kalman Filter

END: East-North-Down

ENU: East-North-Up

FOG: Fiber Optic Gyroscope

GDOP: Global Dilution Of Precision

GLONASS: GLObal'naya NAvigatsionnaya Sputnikovaya SistemaGNSS: Global Navigation Satellite Systems

GPS: Global Positioning System

HSGPS: High Sensitivity Global Positioning System

IMU: Inertial Measurement Unit.

INS: Inertial Navigation System

LIDAR: LIght Detection And RangingMAG: MAGnetometer

MEMS: Micro-Electro-Mechanical System

NED: North-East-Down

RANSAC: RANdom SAmple ConsensusRFID: Radio Frequency Identification

RLG: Ring Laser Gyroscope

RTK: Real Time Kinematic

SLAM: Simultaneous Localization And Mapping

SIFT: Local Scale-Invariant Features

TLS: Terrestrial Laser Scanner

TOW: Time Of Week

UWB: Ultra Wide Band

ZUPT: ZeroVelocity Update


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1. Introduction et problmatique1 Introduction et Problmatique

1.1 Prsentation du laboratoire de recherche

Le travail effectu dans cette thse sest droul au sein du laboratoire MAP-PAGE(Modlisation de l'Architecture et du Paysage- Photogrammtrie Architecturale et GEomatique)de lINSA (Institut National des Sciences Appliques) de Strasbourg. Comme son nom lindique,le laboratoire a pour objectif gnral la modlisation tridimensionnelle des objets topographiqueset architecturaux par photogrammtrie. Depuis 2004, Le LiDAR aroport fait partie des axes de

recherche du laboratoire. Depuis la fin 2005, le laboratoire possde un scanner laser terrestre(TLS) qui a introduit une dimension nouvelle la recherche. On peut constater que le laboratoireMAP-PAGE se spcialise dsormais dans la lasergrammtrie ct de la photogrammtrie, sadiscipline historique.Faisant partie de la spcialit topographie lINSA de Strasbourg, MAP-PAGE accumule desconnaissances profondes en godsie spatiale par GPS, et des notions sur la navigation inertielle.Ces conditions ont donn naissance la prsente thse qui aurait pu sintituler Modlisationstridimensionnelles par lev topomtrique mobile

1.2 Problmatique de la thse

1.2.1Le problme gnral de la car togr aphie mobi leDe nos jours, plusieurs technologies et applications se basent sur les donnes tridimensionnellesgorfrences. La naissance dapplications comme le SIG 3D, la ralit virtuelle, la ralitaugmente, la conservation du patrimoine culturel et mme les jeux vido engendrent unedemande croissante de donnes tridimensionnelles. L'approche traditionnelle du relev dedonnes spatiales repose souvent sur des mesures statiques discrtes pour dterminer la positiondes dtails d'intrt. On peut constater que la mesure tachomtrique, le balayage laser fixe, ou laphotogrammtrie approche sont loin de fournir des donnes 3D au niveau de canyons urbain

(une ville complte par exemple). Dautre part, la photogrammtrie et le LiDAR aroports neproduisent pas des donnes 3D suffisamment riches en dtails pour alimenter les applicationsdj mentionnes. Le relev aroport est susceptible de produire des donnes 2.5D plutt que3D compltes. La modlisation des donnes acquises partir des techniques aroportes en zoneurbaine se fait en premier lieu pour les toitures et les emprises au sol des btiments. Les faadessont un produit secondaire avec un niveau de dtail trs simple (dduit souvent par projectionorthogonale des toitures sur le sol). Cest ainsi que les techniques aroportes sont insuffisantes,seules, pour produire des modles 3D urbains.


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La solution, rcemment apparue, pour acqurir des donnes 3D en quantit est le relev depuisdes plateformes mobiles. Dans l'approche cinmatique inhrente la cartographie mobileterrestre, des capteurs d'imagerie enregistrent les lments visibles le long d'une voie partird'un vhicule mobile, dont la position est fournie par des capteurs de navigation. La numrisationdes faades et des routes se fait aussi vite que le dplacement du vhicule. Idalement, les

enregistrements sont utiliss pour former un modle tridimensionnel continu de la voirie et desfaades environnantes pour des applications diverses.La cartographie mobile est une problmatique deux volets. Le premier est la navigation quiimplique la connaissance de la position et de lorientation de la plateforme mobile chaqueinstant du trajet parcouru. La partie navigation de nimporte quel systme mobile impacteprincipalement la prcision du produit final du systme. Elle consomme, dailleurs, la majorit dubudget consacr pour lensemble du systme. Le deuxime volet est lintgration entre lescapteurs imageurs et les capteurs de navigation. Ce problme est connu sous le nom degorfrencement direct qui implique pour sa part la rsolution de sous-problmes comme lasynchronisation et la calibration.La cartographie mobile est donc, techniquement, lintgration de deux axes: la navigation et le

gorfrencement direct. Pour cela, on se concentre souvent sur tous les sujets qui sont enrelation avec la science de navigation et la technique de gorfrencement direct. Une brveintroduction du systme aidera situer cette thse parmi les autres disciplines de recherche.

1.2.2Systme originalLide de base de cette thse est de concevoir un systme de cartographie mobile faible cotavec des applications limites aux petits et moyens projets. Les composants coteux dun telsystme existent dj au sein de plusieurs cabinets de gomtres. Ces composants ne sont pasuniquement limits la cartographie mobile mais sont utilisables galement pour dautresapplications. Ainsi, lutilisation de la plupart des composants bord du systme ne correspond

pas leur vocation premire. Le systme doit tre totalement gr par une seule personne(topographe en loccurrence) sans faire appel systmatiquement aux spcialistes en gnielectronique. Monter et dmonter le systme doit tre suffisamment simple pour ne pas mobiliserles composants exclusivement dans le contexte mobile. Il faut que le systme dispose dun modedemploi simple et accessible une grande varit dutilisateurs.Le systme dans ses premires versions reprsente une configuration minimale de tout systmede cartographie mobile. Les composants de dpart du systme voquent, en partie, la vraieproblmatique de cette recherche. De faon plus pratique, la prsente thse essaie de rpondre la question du design du systme mobile avec deux soucis supplmentaires : lutilisation dunscanner laser inadapt, initialement en mode cinmatique et la faible prcision du cur de lapartie de navigation du systme (la centrale inertie).

Dans la dernire version du systme, un appareil photo numrique professionnel rejoint lesystme comme aide la navigation pour rsoudre le problme de prcision voqu ci-dessus.Bien que ce soit possible, on nattend pas toutefois dans cette thse, que le systme cre lesproduits classiques de la reconstitution photogrammtrique (vision stro, orthophoto) mais unnuage de points spatialement correct.


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1.3 Les problmes lis au systme conu

1.3.1Le problme du scannerLe capteur imageur initial du systme est un scanner laser terrestre. Par consquent, on peut le

dsigner par systme laser mobile terrestre . Le scanner est conu pour tre install sur untrpied fixe afin de capter une image spatiale du milieu environnant ou autrement dit un nuage depoints 3D. Le balayage tridimensionnel consiste en des rotations horizontales et verticales duscanner qui aboutissent balayer un hmisphre autour du point de positionnement du scanner.Dans le cas mobile, on attend gnralement que le scanner fasse un profil en 2D et que ledplacement donne la troisime dimension en plaant les profils successifs leur positioncorrecte. La rotation horizontale du scanner reprsente donc un effet indsirable contourner lorsde la mission mobile. Dautres soucis apparaissent galement quand on exerce des acclrationssur le scanner qui se transforment en forces pouvant contrer les mouvements du scanner(notamment la rotation horizontale).Les tches principales du scanner utilis dans le contexte de sa vocation, cest--dire en mode

statique, ne sont pas en relation avec le temps. Il est ainsi totalement logique de ne trouver aucunesignature de temps parmi les donnes obtenues par le scanner. Lhorodatage constitue donc undes axes principaux de ce travail.Bien que les problmes mentionns semblent tre propres au scanner utilis bord du systme,on les prsente dans le contexte gnrique dintgration dun capteur imageur quelconque sur uneplateforme mobile. Ce problme devient de plus en plus important cause de la confidentialitindustrielle. La plupart des fabricants nexposent gure le code de pilotage de leurs instruments.Ce travail se concentre donc sur le problme de manque de trousse de dveloppementlogiciel (SDK) pour le scanner et la rsolution des problmes techniques qui en rsultent.

1.3.2Le problme du systme de navigati on par inertieLes gomtres sont habitus utiliser des instruments de mesures dangles (tachomtre,thodolite ou station totale) ayant une indication de prcision simple et donne souvent parltalonnage de linstrument en usine. Les centrales inertie de trs hautde gamme permettentdatteindre une prcision de mesure angulaire comparable, voire meilleure, celle duntachomtre; la drive au fil du temps est tellement faible quon peut considrer la prcisioncomme tant constante. Malheureusement, ce nest pas le cas pour la plupart des centralesinertielles y compris de celle utilise dans notre systme.Une centrale inertielle de gamme moyenne souffre dune imprcision non ngligeable lors de lamesure des positions et des angles. Cette imprcision touche directement le gorfrencementdirect et il en rsulte des nuages de points inexploitables ou entachs derreurs importantes. De

plus, limprcision nest pas constante, mais elle change significativement selon les conditions etlinstant de mesure. Le contrle du comportement dune centrale inertielle faible cot ncessiteune connaissance approfondie de la navigation inertielle et des mthodes de compensation et decorrection par une autre source dinformation spatiale.Ce travail aborde le problme dexploitation dune centrale inertie faible prcision dans unsystme mobile laser (dont on attend une prcision centimtrique). Des mthodes et des astucessont prsentes afin de contourner le problme initial li la gamme de centrale utilise. Bien que


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la faible prcision de la centrale inertielle soit amliore, elle rend lensemble du systmeimprcis.

1.4 Enjeu des systmes laser mobiles moyenne prcision

La plupart des systmes de cartographie mobile moyenne prcision aident normalement collecter les donnes ncessaires pour la planification territoriale. Manzoni et al. (2005) ontrsum les applications probables de ce type systme:

la topologie et le style architectural des faades des btiments, ltat de la prservation du bord des trottoirs, lexistence des panneaux routiers et leurs conditions de visibilit, la prsence des quipements collectifs et la surveillance de leur efficacit, la surveillance du respect de lenvironnement (dchets jets inconvenablement).

Dautres applications lchelle nationale (comme lanalyse de la croissance des zones urbainesau dtriment des espaces verts ou encore le dboisement) sont possibles partir de donnes decartographie mobile. Nanmoins la mthode la plus adapte une telle exigence est la

photogrammtrie aroporte.Lanalyse de la circulation routire, et la densit des voitures garesen milieu urbain sont aussides applications possibles de la cartographie 3D laser mobile malgr le fait que laphotogrammtrie mobile soit prfrable dans ce domaine car elle porte plus dinformationssmantiques.Le systme est conu pour des objectifs plus levs. Le systme doit fournir des donnes pour lamodlisation tridimensionnelle en zone urbaine et priurbaine. En effet, la densit et la prcisiondes donnes fournies ne permettraient pas de les adopter comme seule source de modlisation.Nanmoins, elles peuvent tre compltes par dautres techniques dacquisition (laphotogrammtrie rapproche par exemple) pour raliser des modles urbains 3D prcis etdtaills. Les donnes laser sont elles mmes susceptibles de produire des modles urbains 3D

valables si elles ont traites par des mthodes semi-automatiques condition dintgrer laconnaissance architecturale afin de compenser le manque de prcision ou de densit.

1.5 La place du sujet par rapport aux systmes et les techniques comparables

Le systme conu fait partie des systmes de cartographie mobile laser en post-traitement.Nanmoins, il peut partager quelques concepts avec des disciplines voisines, soit dunpoint devue de sa forme ou de sa conception. Les prochains paragraphes comparent la cartographiemobile ralise par le systme conu au laboratoire MAP-PAGE avec dautres techniquesbrivement introduites.

1.5.1Cartographie mobile o voiture autonome ?Le besoin des personnes handicapes ou ges de pouvoir conduire, sans le moindre risque, aentran le dveloppement des voitures autonomes. Les voitures robots sont des vhicules quiavancent tout seul, qui trouvent leur chemin grce leur calculateur de bord, qui ralentissent pourlaisser passer les pitons, qui vitent les embouteillages, etc.En 2007, le concours DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) a t lanc dans saversion urbaine. Le dfi est de parcourir un chemin de 96 km en ville (figure 1.1) pendant moins


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de 6h dot dunprix de 2 milions deuros. Un tel budget a encourag plusieurs laboratoires derecherche sengager dans ce domaine.

Figure 1.1 Course entre deux voitures autonomes lors du challenge urbain DARPA 2007

La cartographie mobile et lautonomie des vhicules partagent les mmes notions de localisationet de cartographie mais dun point de vue compltement diffrent. La cartographie mobile dpenddu positionnement absolu aveugle par fusion de donnes GPS, inertielles et odomtriques pourcalculer les caractristiques instantanes et passes de la trajectoire du vhicule (position absolue,orientation, vitesse, acclration). Ceci permet par la suite de numriser lentourage du vhicule.En revanche, les voitures autonomes analysent les donnes des capteurs (photo, vido, laser, etc.)numrisant lentourage pour calculer les composantes du trajet aux instants prsents et futurs. Lesvhicules autonomes utilisent donc le positionnement relatif proche .La diffrence de concept entre le guidage et la cartographie mobile se retrouve dans les calculscorrespondants. Bien que les deux systmes utilisent les mmes quations, ils permutent les

variables et les inconnues. On rsout quasiment le mme systme la fois pour les composantesdu trajet (cas du guidage) et la fois pour les coordonnes de lentourage (cas de cartographiemobile). Les notions de synchronisation, dinterpolation et de prdiction restent les mmes dansles deux cas.

1.5.2Cartographie mobil e ou SLAM ?Le SLAM (Simultaneous Localization And Mapping) est la terminologie anglaise pour lalocalisation et la cartographie simultanes, une technique largement utilise par la robotiquemobile. Elle met en uvre des capteurs extroceptifs (tlmtre laser 2D ou 3D, camera, bancstro, camera panoramique) pour amliorer les lments du trajet du robot acquis par des

capteurs proprioceptifs (odomtrie, centrale, inertielle, GPS), normalement lorsque le niveau deprcision est faible. Le principe de cette technique est de dtecter quelques entits gomtriquesrepres dans lentourage du robot dans deux poses successives et den dduire le changement depose ayant eu lieu. Ces repres, supposs tre fixes, sappelant amers , participent au calcul deposition et dattitude. La localisation se fera simplement en utilisant les amers pour trouver laposition et lattitude de la plateforme mobile, lorsque la cartographie rutilise ces donnes pourcalculer les coordonnes de lentourage en mme temps. Le problme gnrique du SLAM estdonc un problme destimation conjointe des positions du robot (localisation) et des lments de


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lenvironnement (cartographie). On peut considrer le SLAM comme une combinaison de lacartographie mobile et du guidage automatique expliqu ci-dessus.La technique de SLAM est presque indispensable pour la cartographie de lintrieur et des routescouvertes. Elle est utilise largement aussi pour constituer des grilles doccupation.La correspondance fonctionnelle entre la notion de cartographie mobile et celle de SLAM ne

facilite gure la distinction entre elles. Beaucoup de plateformes mobiles sont quipes decapteurs extroceptifs pour assister la navigation. Nanmoins le terme de SLAM reste propre audomaine de la robotique. Finalement, linvestigation dans les capteurs de navigation pargne lecot lev du calcul exig par le SLAM (choix classique de la cartographie mobile). En revanche,linstallation des calculateurs performants au niveau de la fusion des donnes permetdconomiser beaucoup lors de la conception du systme (choix classique de robotique).Le systme conu dans cette thse nutilise pas, a priori, la rtroaction de ses capteurs externespour pouvoir amliorer les composantes du trajet. Nanmoins il est possible dintgrer une telleide dans les futures versions.

1.5.3 Cartographi e mobile ou navigation pdestre ?En navigation pdestre, on cherche dterminer les six degrs de libert (position et attitude)pour une personne se dplaant la vitesse de marche (malvoyants, pompiersetc.). Destine augrand public, la navigation pdestre utilise en gnral des dispositifs faible cot (notamment lescentrales inertielles). Elle utilise non seulement les donnes des capteurs de position et dattitudepour localiser la personne, mais encore un modle de caractristiques de la marche. Le pashumain passe normalement par deux phases, le positionnement et loscillation. Deuxpositionnements successifs dterminent la longueur de pas et lazimut se dtermine pendantloscillation. Il faut donc, au moins, une centrale inertie pour suivre les mouvements dun pied.La navigation pdestre utilise souvent plus dune centrale inertie divers emplacements ducorps humain (pied, cheville, cuisse, poitrineetc.) pour trouver la typologie de la marche. La

prcision attendue dune configuration utilisant deux centrales inertielles MEMS ne dpasse pas2m ce qui est satisfaisant pour localiser une personne dans un couloir de btiment.Un couplage avec le GPS est possible pour le cas dune personne qui se dplace lextrieur ouqui entre et sort dun btiment souvent (cas des pompiers par exemple). Des capteurs GPS hautesensibilit sont souvent utiliss pour la navigation pdestre. Pour le cas purement dit intrieur des capteurs UWB (Ultra Wide Band) ou des tags RFID (Radio Frequency IDentification) sontutiliss. Le cot dune telle configuration est encore trs important pour lapplication denavigation pdestre. Pourtant ce couplage est actuellement le sujet de plusieurs recherchesprometteuses.Le choix fait dans cette thse est dutiliser la seule centrale inertie disponible bord de laplateforme mobile plutt que sur la personne qui tire la plateforme. Plusieurs facteurs ont

privilgi ce choix comme la dpendance non totale entre le corps de la personne tirant le chariotet le chariot mme et les diffrentes poses possibles pour tirer le chariot (marche avant ou marchearrire). Dailleurs, la prcision envisage pour la navigation pdestre nest pas du mme ordredegrandeur que pour la cartographie mobile. Pourtant les dveloppements actuels de la navigationpdestre pourraient atteindre un point o elle complterait la cartographie mobile pour avoir lameilleure dtermination de position et dattitude.

1.5.4Temps rel ou post-tr ai tement ?


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Lacquisition dun nuage de points laser en temps rel requiert la matrise de plusieurscomptences parmi lesquelles :

Lanalyse des signaux (parsing) sans aucune latence au niveau des ports sries et delanalyseur de haut dbit ;

La synchronisation laide de priphriques; Des corrections sur le trajet en temps rel (RTK, Filtre de Kalman avec rtroaction, etc.) ; Autonomie complte lors du pilotage du systme.

Pour remplir ces conditions, il faut des calculateurs embarqus puissants et des interfaceshomme-machine fiables qui sont ralises laide des langages de programmations les plusproches la machine. Le dfi de produire des donnes gomtriquement correctes nest pasenvisag ce stade de la recherche. Le cot de fonctionnement embarqu en temps rel nest pasjustifi dans la plupart des applications de cartographie mobile. Par contre le post traitementassure plus de commodit, notamment en ce qui concerne les corrections dun point de vue plusglobal. Les applications de couleurs et de textures se font aussi en post-traitement plus aisment.De toute faon, un nuage de point laser acquis en mode mobile ou fixe ne serait pas exploitable

avant une srie de nettoyage, de segmentation, de reconnaissance de formes et de modlisationgomtrique. Rien nempche donc de corriger le nuage acquis en post traitement. Lesapplications qui exigent un traitement en temps rel comme ltablissement de cartes de risques,le pilotage des avions, lopration militaire ne sont pas concernes par cette thse.

1.6 Plan du mmoire

Cette thse est constitue de quatre parties principales : ltat de lart, la conception du systme,le modle derreurs correspondant aux calculs du nuage de points et enfin les solutions proposespour amliorer la prcision des rsultats. Ltat de lart permet dinspirer des solutions partirdes autres systmes mobiles existants. Il donne aussi des introductions thoriques ncessaires

pour valuer les capteurs disponibles et pour le traitement des donnes qui en rsulte.Ensuite, la conception du systme consiste dfinir les tapes telles que la calibration, lasynchronisation, la reconstitution du trajet et le gorfrencement direct. Lvaluation desrsultats est faite dans le troisime chapitre travers une tude thorique et exprimentale.La dernire partie introduit les solutions possibles pour amliorer la prcision du systme et pourexploiter ses donnes. Elle dcrit plus prcisment la solution photogrammtrique dveloppedans cette thse. Les perspectives et les conclusions issues de ce travail sont prsentes en fin dece mmoire.


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PPaarrttiiee11..EEttaattddeellaarrtt


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2. La cartographie mobile2 La cartographie mobile

2.1 Introduction

Depuis les quinze dernires annes, les progrs de la godsie spatiale et inertielle, ont permis derflchir autrement la cartographie mobile. Au lieu d'utiliser les contrles au sol pour orienterles photos dans l'espace, la trajectoire et l'attitude de la plate-forme d'imagerie peuvent dsormais

tre dtermines directement. Cela a rendu la cartographie mobile indpendante des activitstopographiques pralables.Le passage de l'analogique au numrique des techniques d'imagerie sy ajoute aussi comme unchangement considrablement acclr au cours des dernires annes. Lintgration des conceptsde dtermination cinmatique de la trajectoire avec l'imagerie numrique a abouti des systmesmulti-capteurs aux capacits multiples. Ils sont capables d'acqurir, de stocker, de traiter et dego-rfrencer les donnes numriques, fournissant ainsi une solution complte aux problmes decartographie partir d'une seule plate-forme.La dsignation cartographie mobile est trs vaste ; elle peut tre ralise partir de satellites,avions, hlicoptres, ou encore de drones. Dans certains cas, des applications sont effectues partir de bateaux ou de vhicules sous-marins autonomes (AUV). Pourtant, la tendance est

dattribuer la dsignation cartographie mobile aux applications terrestres ou aroportes.Selon (Tao et Li, 2007), le dveloppement prvu de la cartographie mobile dans les prochainesannes est caractris par deux tendances : premirement, lusage dun nombre toujours plusgrand de capteurs portables faible cot, notamment en ce qui concerne les dispositifs degorfrencement direct et deuximement, lexploitation des technologies de tlcommunicationafin de lier plusieurs plateformes mobiles fonctionnant simultanment. Cette rvolution amnerait un rseau de capteurs mobiles terrestres ou une combinaison de techniques terrestres etaroportes.Nous allons plutt nous intresser, dans cette thse, au cas terrestre qui partage beaucoup denotions avec les applications cites ci-dessus. Nanmoins les besoins de prcision sont bieninfrieurs compte tenu de la distance entre la plateforme mobile et les objets levs et de la vitesse

de cette plate forme. Le terme de cartographie mobile terrestre est souvent li aux systmesembarqus sur des voitures. Il existe galement des exemples sur des wagons de trains(Sternberg, 2001 ; Blug et al., 2007) ou des motos (Qingwu et al., 2007). Nous allons nousconcentrer sur le dveloppement de certains systmes de cartographie mobile terrestre avec descapteurs photogrammtriques ou laser actuels. Laccent sera mis sur deux systmes nationauxayant un arrire-plan acadmique. Notons que le premier systme apparu est GPSVan OhioState, USA (Goad, 1991 ; Schwarz et El-Sheimy 2004).


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2.2 Exemples de systmes de cartographie mobile

2.2.1LaRALaRA, acronyme de "La Route Automatise" est un vhicule de perception avance rsultant de

la fusion de capteurs multiples. Le Centre de Robotique de lEcole des Mines de Paris a lanc cetaxe de recherche en 1998. Ce projet a t dvelopp en parallle avec la cration du systmeinformatique embarqu RT MAPS qui permet une mise en place rapide de plusieurs capteurs,actionneurs et algorithmes. RTMAPS a t commercialis aprs avoir largi sa base de donnes detelle manire quelle puisse comprendre une vaste gamme de capteurs. LARA effectue unbalayage laser mobile laide dun tlmtre laser effectuant 10 profils par seconde de 1080points chacun. Ceci permet davancer une vitesse de 10 km/h pour avoir des nuages de pointsexploitables en zone urbaine.La partie navigation de ce systme est compose dun rcepteur DGPS avec correctiondiffrentielle, une centrale inertielle faible cot, une odomtrie et un capteur pour mesurerlangle du volant. Cette configuration hybride a permis dachever une prcision estime

infrieure 5 cm (Abuhadrous et al., 2004) pour les trajets. Lide gnrale est d'assister leconducteur pour amliorer la scurit, le confort et l'efficacit du transport routier. Le vhiculedispose donc dautres capteurs servant aux autres objectifs comme une camra CCD couleurfrontale, une camra arrire grand champ, deux camras installes dans les rtroviseurs externesdu vhicule et un radar longue porte. Nanmoins, ces capteurs peuvent tre intgrs avec lesystme de cartographie mobile pour pouvoir amliorer la qualit visuelle du nuage laser acquis.Brun et al. (2007) utilisent, par exemple, un capteur il-de-poisson pour pouvoir texturer lesmodles dduits du scanner laser.

Figure 2.1 Vhicule LaRA amnag pour des relevs mobiles ( gauche) et tlmtre laser coupl

avec un capteur il-de-poisson ( droit).

2.2.2STEREOPOLISSTROPOLIS est le systme mobile de lInstitut Gographique National (IGN). La premireversion a t dveloppe en 2006 au sein de lquipe ARCHI avec la collaboration du laboratoireOEMI. STROPOLIS est un vhicule quip dun ensemble de camrashaute rsolution qui


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relvent la fois les faades, la voirie et le mobilier urbain. Le dispositif tait compos,initialement, de trois paires de camras 40004000 pixels.STROPOLIS V2 dispose de dix camras en configuration omnidirectionnelle qui assurent unecouverture horizontale complte. Le choix de la couverture verticale sest port sur les deuxcamras latrales et jusquau point de znith. Deux scanners laser Riegl 2D, avec une

ouverture de 80, ont aussi t fixs dos--dos sur le vhicule. Le composant de navigation est unhybride de GPS, INS et odomtre. Sa prcision est estime 30 cm lors dune perte de signalGPS de dix secondes. Il est utilis pour raliser des modles pour la ralit augmente ou lareconnaissance automatique des panneaux routiers ou des textes.Le systme possde un degr lev de synchronisation grce au choix des appareils compatibles.Il fonctionne en temps rel laide dun ordinateur master pourvu dun logiciel desynchronisation et de pilotage (RTMAPS) qui dirige cinq autres ordinateurs. Ils disposent devolumes de stockage considrables afin dassurer la continuit des missions mobiles. Depuis2009, limagerie laser de Stropolis est assure par le scanner HDL-64E expos dans 6.3(page 69).

a. b. c.Figure 2.2. a : Vue gnrale du systme Stropolis avec les capteurs imageurs. b : centrale

inertielle et units pilotage-stockage. c : odomtre install sur la roue arrire gauche.

2.2.3Les chariots mobilesIl existe des systmes mobiles spcialiss en cartographie partir de voies ferres. Lesplateformes o on embarque ces systmes sont plus simples compte tenu de leur application. Onpeut citer le systme Swiss trolley de Terra International qui intgre deux scanners laserfaisant 45 avec les rails (Figure 2.3). La partie navigation du systme est constitue dun GPS

uniquement qui peut tre remplac par un tachomtre avec la possibilit de suivi automatique.La prsence dune centrale inertie est inutilecar le chariot ne peut pas prendre deux attitudesdiffrentes sur la voie. En dautres termes, la trajectomtrie na pas les six degrs de liberttraditionnels mais elle est contrainte par la gomtrie des rails.Une configuration similaire GRP System FX est propose par AMBERG Technologie. Lesystme est pourvu dun seul scanner et de deux prismes pour le suivi tachomtrique en cas decartographie des tunnels. La prcision de tels systmes est centimtrique et la densit est lie lavitesse du dplacement.


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Figure 2.3 Chariot Swiss trolley ( gauche) et GRP System FX ( droite)

2.3 Rcapitulatif

Dans le tableau ci-dessous nous rcapitulons un nombre important de systmes de cartographie

mobile terrestre existants ce jour. Nous avons essay dassocier une rfrencebibliographiquepour chaque systme et danalyser les composants de chacun. Nous rappelons quil existe encoredes systmes qui ne rvlent gure leurs secrets car ils sont souvent lis lindustrie et aucommerce o la plupart des informations sont confidentielles.

Nom Dveloppeur / RfrenceCapteurs

Navigation Cartographie

GPSVanUniversit dOhio State

(Grejner-Brzezinska, 2002)

GPS bi-frquencegyroscope vertical

2 gyroscopes

directionnelsodomtre

2 appareils photoCCD

2 camras vidos

analogiques

VISAT(Video-Inertial-

SATellite)

Universit de Calgary(Niu et al.,2006)

2 GNSS bi-frquence

IMUlecteur ABS

1 camra S-VHS8 CCD appareils

photo n/b

KiSS(Kinematic Survey

System)

Universit de Bundeswehr.Institut de la godsie etGeoDigital international

(Allemagne)

(Sternberg et al.,2001)

GPSIMU (2gyros, 3acclromtres)

odomtrebaromtre

inclinomtrecompas

1camra vido VHScouleur

2 appareils CDD

MoSES(Mobile road

Mapping System)

Universit de forces armesfdrales de Munich

(Grfe, 2007)

GPS,IMU

baromtrenumrique

2 scanners laser2 appareils CDD


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GEOVANInstitut de cartographie de

Catalogne(Talaya et al.,2004)

GPS/IMU/odomtre(POSPac Applanix

systme).

2 appareils photo1 tlmetre laser

PhotobusLaboratoire de topomtrie

(EPFL) Lausanne(Gontran, 2005)

GPS RTK bi-antenneIMU

Odomtre optique

1 appareil photoCMOS

VLMS(Vehicle-borneLaser Mapping

System)

Centre des informationsspatiales de luniversit de

Tokyo(Manandhar et Shibasaki,

2000 et 2002)(Zhao et Shibasaki, 2004)

GPS/INS/odomtre3 tlmtres laser6 appareils photos

linaires

GiGi

(GPS IntegratedwithGlonass andInertial navigation

system)

Universit de Trieste(Manzoni et al.,2005 et

2006)

GPS/IMU/odomtre(POSPac Applanix

systme).GPS assist

2 appareils photosn/b+couleur

tlmtre laser

TruckMapJohn E. Chance, Inc., USA

Reed et al.,1996GPS multi-antennes

gyrostlmtre laser1 camra vido

GPSvisionLambda Tech, Inc., USA

(Guangping. 2002)GPS/INS

2 appareils CCDcouleur

ON-SIGHT Transmap Corp., USA GPS/INS

2 appareils CCD

couleurRGIAS

(Rapid GISAcquisition

Service)

Rowe Surveying andEngineering Company, Inc.

Alabama, USA

GPS Multi-antennes 1 tlmtre laser1 camra video

WUMMSUniversit deWuhan.,

Chine(Li et al.,1999)

GPS

3 appareils CCDcouleur

1 tlmtre laser

LD2000RH,-RE, -RM series

Wuhan Leador Co.,Ltd,(Chine)

(Qingwu et al., 2007)

GPS/INS2-8 appareils CCD

couleur

DAVIDE(Data Acquisition

Vehicle withInertial and DGPS

Equipment)

GIOVE S.r.l.Italie

(Spagnol, 2004)GPS/INS/odomtre

5 camras vidotlmtre laserTPL (TraverseProfile Logger)


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StreetMapperIGI GmbH et 3D Laser

Mapping(Kremer et Hunter, 2007)

GPS/INS2-3 tlemtres laser1-2 camras vido

ROADSCANNERSITECO Informatica s.r.l.

ItalyGPS/INS/odomtre

5 camras vido1 scanner laser

1 profilomtreLYNX Optech, Inc., GPS/INS 2-4 scanners laser

ILRIS-3DOptech and Sineco

(Zampa, et Conforti, 2008)

GPS/INSDMI

odomtre

2 scanners laser

SAM (Systmed'Acquisition

Mobile)

GeoInvent Sud etSODIPLAN S.A. GPS/INS/odomtre 4-8 appareils photos

Trident-3D Go-3D & CADDENGPS+ GLONASS

/INS/odometer3 appareils photos

1 scanner laser

Tableau 2.1 Exemples de systmes de cartographie mobile existants

Figure 2.4 Exemples de systmes commerciaux ( gauche LAND Mark, droite LYNX)

2.4 Note de conclusion

Comme on la constat dans ce chapitre, les systmes de numrisation mobile investissent largement dans les matriels et les priphriques. Certains systmes ont typiquement le mmecot quun systme LiDAR aroport (Barber et Mills, 2007). Un tel choix est justifi par lamasse de donnes spatiales rsultante au fil du temps. Pour obtenir la mme prcision, il fautinvestir pour le cas terrestre typiquement comme pour le cas aroport cause des masques GPSqui nexistent pas au niveau de lavion. Nanmoins, pour le terrestre, la distance entre laplateforme et lobjet scann permet moins de prcision que laroport notamment en ce quiconcerne les angles.Des milliers de kilomtres ont dj t relevs par les systmes de cartographie mobile laserterrestre partout dans le monde. Pourtant, nous ne trouvons dans la littrature aucune approchequi aborde le systme de A Z. La plupart des systmes utilisent des logiciels pour contrler lasynchronisation et le flux des donnes. La partie navigation du systme est rarement aborde.


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Plusieurs systmes sont quips dunit dintgration GPS/INS/Odomtre dont la prcision estproportionnelle au prix. Ils prsentent donc la navigation par le principe de bote noire. Lessystmes de cartographie mobile sont labors par des quipes de plusieurs spcialistes(topographe, lectroniciens, informaticiens, etc.). Il nexiste gure desystmes faible cot quipeuvent tre opr intgralement par un seul individu.

Nous constatons par ailleurs que les scanners lasers utiliss sont des tlmtres 2D o latroisime dimension est obtenue par le mouvement de la plateforme mobile. Dans quelques casmoins frquents (Kukko et al.,2007 par exemple), des scanners lasers terrestres sont utiliss maisen bloquant leur rotation horizontale. Ils sont donc lquivalent du tlmtre laser 2D. Si lechamp vertical du balayage est suprieur 180, un seul scanner suffit pour numriser les deuxcots de la route, sinon il faudrait positionner deux scanners dos--dos. Le choix dutiliser unnombre redondant de scanners avec diffrents angles dincidence aide densifier le nuage depoints rsultant et rsoudre le problme docclusion. La vitesse de numrisation du scanner(mesure en profil/s) demeure le facteur principal qui dtermine la vitesse de dplacement de laplateforme mobile.


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3. Le positionnement par GPS

3 Le positionnement par GPS

e chapitre aborde le composant de positionnement indispensable tous les systmes decartographie mobile : le GPS. Aprs une brve introduction du systme GPS, laccent seramis sur les techniques et les solutions utilises gnralement pour la localisation mobile par

la majorit des systmes. Nous nous intressons aussi aux aspects thoriques des techniquesutilises, dans la perspective du systme propos dans cette thse. Des techniques comparablessont enfin prsentes afin de justifier et dvaluer nos choix lors de la conception du systme. Onsuppose que le lecteur possde des prrequis sur le positionnement par GPS.

3.1 Introduction gnrale du GPS

Le Systme de Positionnement Global (GPS) est un systme de navigation par satellites destin fournir la position, la vitesse et l'heure (solution dite PVT). Les satellites GPS envoient dessignaux cods qui peuvent tre dchiffrs par des rcepteurs GPS. Le rcepteur mesure sadistance plusieurs satellites l'aide des codes C/A ou P. Chaque mesure de distance sur unsatellite dfinit une sphre dont le centre est le satellite. Trois satellites sont donc ncessairespour dterminer la position 3D du rcepteur. Un quatrime satellite est ncessaire pour tenircompte de la non-synchronisation de l'horloge du rcepteur et des horloges des satellites. Lesystme GPS peut se dcomposer en trois segments:

Le segment spatial:il s'agit d'un rseau de 24 satellites fonctionnels ; ils se meuvent sur6 plans orbitaux, environ 20000 km d'altitude. La constellation GPS a t conue detelle manire que, partout sur la terre et tout moment, un minimum de 4 satellites soientvisibles au dessus de 15 d'lvation.

Le segment de contrle: il est constitu de 5 stations qui calculent l'orbite des satelliteset contrlent leur bon fonctionnement ainsi que la qualit de l'horloge bord de chaquesatellite.

Le segment utilisateur: Il est compos des rcepteurs GPS, appareils permettant decalculer la position, la vitesse et l'heure d'un observateur, partout et tout moment surTerre et dans ses environs, quelles que soient les conditions climatiques.

3.2 Spcifications du signal GPSLes satellites GPS transmettent leurs donnes sur deux frquences (porteuses). Les signaux, quisont gnrs partir de la frquence standard 10.23 MHz, sont L1 et L2 (frquencestandard120,154 respectivement). La longueur donde est denviron 19 cm pour L1 et 24 cmpour L2. Les frquences sont gnres grce l'horloge atomique embarque bord de chaquesatellite.

C


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De plus, les deux porteuses L1 et L2 sont modules en phase par trois codes binaires appelscodes pseudo-alatoires (ou PRN : Pseudo Random Noise). Le code C/A (Coarse/Acquisition ouClear/Acces) ne module que L1 contrairement au code (P) qui module L1 et L2. Le code (P) peuttre transform en code Y sur dcision du segment de contrle. La Figure 3.1 montre lagnration des porteuses et la transition de code fait au niveau de segment spatial.

Figure 3.1 Modulation de phase du signal GPS1

Le troisime code modulant est le message de navigation qui est un code particulier. Defrquence 50 Hz, il contient les informations suivantes :

Le temps GPS : il est dfini par le numro de la semaine et le temps dans la semaine(lorigine du temps GPS tant le 6 janvier 1980 0 heure et lorigine de la semaine lesamedi/dimanche 0 heure).

Les phmrides : elles comprennent les paramtres permettant de calculer la position dessatellites avec une prcision de lordre de la dizaine de mtres. Les almanachs : ils ont la mme fonction que les phmrides mais avec une prcision

moindre. Contrairement aux phmrides o chaque satellite envoie ses propres paramtres,lensemble des almanachs est transmis par nimporte lequel des satellites.

1Figure adapte de: NAVSTAR GPS user equipment introduction, public release version, 1996.URL : ftp://ftp.tapr.org/gps/gpsuser.pdf


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Les coefficients du module mondial de corrections ionosphriques. Les informations concernant ltat de fonctionnement de chaque satellite. Le module de comportement des horloges et les paramtres permettant de rattacher le temps

GPS au temps mondial.Pour pouvoir obtenir les informations relatives toute la constellation, il faut, thoriquement,

attendre une dure minimale de 12 minutes et 30 secondes. Dautres solutions plus rapides sontexpo

Documents

Alshawa Majd 2010r