Localisation d'une flotte de véhicules communicants par approche de type SLAM visuel décentralisé

The localization of a vehicle with the use of SLAM techniques (Simultaneous Localization And Mapping) has been extensively studied during the last 20 years. However, only a few approaches have tried to extend these algorithms to a fleet of vehicles despite the many potential applications. It is the objective of this thesis. First of all, a monocular SLAM for a single vehicle has been developed. This one proposes to pair an Extended Kalman Filter with a Cartesian representation for landmarks so as to produce accurate low density maps. Indeed, the extension of SLAM to several vehicles requires permanent communications inside the fleet. With only a few landmarks mapped, our approach scales nicely with the number of vehicles. Cheap sensors have been favored (a single camera and an odometer) in order to spread more easily the use of multi-vehicle applications. Correctives have been proposed in order to avoid the divergence problems induced by such a scheme. The experiments showed that our SLAM is able to furnish good localization results while being light and fast.The drift affecting every SLAM algorithm has also been studied. Its integration inside the SLAM process, thanks to a dedicated architecture and a dynamic model, allows to ensure consistency even without an estimation of it. Loop closures or the integration of geo-referenced information becomes straightforward. They naturally correct all the past positions while still maintaining consistency. In a multi-vehicle scenario, it is a key aspect as each vehicle drifts differently from one another. It is consequently important to take it into account. Our SLAM algorithm has then been extended to several vehicles. A generic structure has been used so as to allow any SLAM algorithm to replace our monocular SLAM. The multi-vehicle architecture avoids data incest (double-counting information) and handles network failures, be they communication breakdowns or latencies when receiving data. The static part of the drift model allows to take into account the fact that the initial positions of the different vehicles composing the fleet might be unknown. Consistency is thus permanently preserved. Our approach has been successfully tested using simulations and real experiments with various settings (row or column convoy with 2 or 3 vehicles) in a fully decentralized way.La localisation d’un véhicule via les techniques de SLAM (Simultaneous Localization And Mapping pour cartographie et localisation simultanées) a connu un essor important durant les 20 dernières années. Pourtant, peu d’approches ont tenté d’étendre ces algorithmes à une flotte de véhicules malgré les nombreuses applications potentielles. C’est ici l’objectif de cette thèse. Pour ce faire, une approche de SLAM monoculaire pour un seul véhicule a d’abord été développée. Celle-ci propose de coupler un filtre de Kalman étendu avec une représentation cartésienne des amers afin de produire des cartes de faible densité mais de qualité. En effet, l’extension à plusieurs véhicules nécessite des échanges permanents par l’intermédiaire de communications sans fil. Avec peu d’amers dans les cartes, notre approche s’accommode bien du nombre de véhicules de la flotte. Des capteurs peu onéreux ont aussi été privilégiés (une unique caméra et un odomètre) afin de réduire le coût d’une extension multivéhicule. Des correctifs ont été proposés afin d’éviter les problèmes de divergence induits par les choix précédents. Des expérimentations ont montré que la solution de SLAM produite était légère et rapide tout en fournissant une localisation de qualité. La dérive, inhérente à tout algorithme de SLAM, a également fait l’objet d’une analyse. Celle-ci a été intégrée au SLAM par l’intermédiaire d’une architecture dédiée et d’un modèle dynamique. Le but est de pouvoir rendre consistante la localisation fournie par le SLAM, même en l’absence d’estimation de la dérive. Cela permet d’effectuer des fermetures de boucle ou encore d’intégrer des informations géo-référencées de manière naturelle tout en conservant l’intégrité de la solution. En multivéhicule, cet aspect est un point clef puisque chaque véhicule dérive différemment des autres. Il est donc important de le prendre en compte. Enfin, le SLAM a été étendu à plusieurs véhicules. Une structure générique a été prévue afin que notre approche monoculaire puisse être remplacée par n’importe quel algorithme de SLAM. Notre architecture décentralisée évite la consanguinité des données (le fait de compter deux fois une même information) et gère les défaillances réseau, que cela soit des ruptures de communication ou encore des latences dans la réception des données. La partie statique du modèle de dérive permet également de prendre en compte le fait que les positions initiales des véhicules d’une flotte puissent être inconnues. L’intégrité est ainsi maintenue en permanence. Enfin, notre approche étant entièrement décentralisée, elle a pu être testée et validée en simulation et avec des expérimentations réelles dans diverses configurations (convoi en colonne ou en ligne, avec 2 ou 3 véhicules)