Les algorithmes de localisation, cartographie 3D et de contrôle constituent une catégorie cruciale de la recherche en robotique mobile. Leur développement permet une localisation précise des plateformes robotiques, ainsi qu'une optimisation de leurs mouvements. Les progrès dans ce domaine reposent largement sur les jeux de données collectées sur le terrain. Ces jeux de données améliorent la performance et la précision de ces algorithmes, notamment grâce aux trajectoires de contrôle en trois ou six degrés de liberté. Ces trajectoires de contrôle, considérées plus précises que les algorithmes évalués, permettent des comparaisons essentielles pour augmenter l'efficacité desdits algorithmes. La génération de trajectoires de contrôle repose principalement sur trois systèmes : les caméras, les systèmes de positionnement par satellites et les stations totales robotisées. Les systèmes basés sur les caméras offrent une précision millimétrique et des taux d'acquisition élevés, mais excellent uniquement en environnements intérieurs. Les systèmes de positionnement par satellites sont privilégiés en extérieur pour leur précision centimétrique, conditionnée par la visibilité céleste. Les stations totales robotisées, utilisées en intérieur ou extérieur pour des trajets en trois degrés de liberté, affichent une précision millimétrique, mais peuvent rencontrer des obstacles dans la ligne de mire. L'utilisation de plusieurs systèmes de positionnement par satellites ou caméras permet d'obtenir des trajectoires de contrôle en six degrés de liberté de ces capteurs. Un système de ce type n'existe pas avec des stations totales robotisées. Cette thèse propose la première conception d'un système de trajectoire en six degrés de liberté à partir de trois stations totales robotisées. Ce système s'adapte à divers environnements, intérieurs et extérieurs, générant des trajectoires de contrôle pour des plateformes robotiques mobiles dotées de trois prismes actifs. La précision obtenue par ce système avoisine le millimètre. L'objectif de cette thèse est de décrire le fonctionnement de ce système, ainsi que d'analyser et d'améliorer sa précision à travers des déploiements variés. L'introduction explique la problématique explorée ainsi que la méthodologie employée pour la résoudre. Le chapitre 1 expose les concepts fondamentaux pour les comparaisons de trajectoires en robotique mobile. Dans le chapitre 2, le fonctionnement de ce système à trois stations totales robotisées sera expliqué, et des comparaisons avec des systèmes de positionnement par satellites seront menées. Les stations totales robotisées surpassent les systèmes de positionnement par satellites en termes de précision pour générer des trajectoires de contrôle, notamment en milieu forestier. Le chapitre 3 présente une nouvelle méthode de calibration extrinsèque qui améliore la précision du système de trois stations totales robotisées. Nous comparons cette nouvelle méthode aux méthodes de calibration extrinsèque existantes en robotique mobile et en géomatique, démontrant sa supériorité en termes de précision et d'efficacité sur le terrain. Le chapitre 4 analyse en détail l'incertitude associée au système à trois stations totales robotisées, notamment la propagation du bruit des mesures. Nous démontrons que les bruits prédominants proviennent de la précision inhérente aux stations totales et de la calibration extrinsèque. Le chapitre 5 relate les enseignements tirés sur le terrain lors de multiples déploiements sur dix-huit mois. Nous analyserons les défis rencontrés lors de l'utilisation du système et prodiguons des conseils aux chercheurs travaillant avec des stations totales robotisées. Cette thèse démontre la faisabilité de générer une trajectoire de contrôle en six degrés de liberté pour une plateforme robotique grâce à trois stations totales robotisées. / Localization, 3D mapping, and control algorithms are a critical category in mobile robotics research. Their development enables precise localization of robotic platforms and optimization of their movements. Progress in this domain heavily relies on field-collected datasets. These datasets fuel algorithm iteration to enhance performance and precision, particularly through three or six-degrees-of-freedom control trajectories. These control trajectories, considered more accurate than evaluated algorithms, facilitate crucial comparisons to boost algorithmic efficiency. Control trajectory generation predominantly relies on three systems: cameras, satellite positioning systems, and robotic total stations. Camera-based systems offer millimeter precision and high acquisition rates, excelling in indoor environments. Satellite positioning systems are favored outdoors for centimeter precision, contingent on sky visibility. Robotic total stations, applicable indoors or outdoors for three degrees of freedom trajectories, achieve millimeter precision but can encounter line-of-sight obstacles. The use of multiple satellite positioning or camera systems enables six-degrees-of-freedom control trajectories of these sensors or receivers. Such a system does not exist with robotic total stations. This thesis proposes the inaugural design of six-degrees-of-freedom trajectory system using three robotic total stations. This adaptable system operates in diverse indoor and outdoor environments, generating control trajectories for mobile robotic platforms equipped with three active prisms. The precision achieved by this system approaches the millimeter scale. The thesis aims to describe the system's functioning and enhance its precision through diverse deployments. The introduction explains the main problematic of the thesis and the methodology employed to solve it. Chapter 1 lays out fundamental concepts for mobile robotic trajectory comparisons. In Chapter 2, we detail the setup of this three robotic total station system, along with initial comparisons against satellite positioning systems. Robotic total stations outperform satellite positioning systems in precision for generating control trajectories, especially in forested environments. Chapter 3 introduces a novel extrinsic calibration method that enhances the precision of the three robotic total station system. We compare this novel method against existing extrinsic calibration methods in mobile robotics and geomatics, demonstrating its superiority in terms of precision and on-field efficiency. Chapter 4 meticulously analyzes the uncertainty associated with the three robotic total station system, including the propagation of measurement noise. We demonstrate that this predominant noise comes from inherent total station precision and extrinsic calibration. Chapter 5 recounts insights gained during multiple eighteen-month deployments. We analyze challenges encountered during system usage and offer guidance to researchers working with robotic total stations. This thesis showcases the feasibility of generating a six-degrees-of-freedom control trajectory for a robotic platform using three robotic total stations.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/141784 |
| Date | 26 April 2024 |
| Creators | Vaidis, Maxime |
| Contributors | Pomerleau, François, Giguère, Philippe |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xxiv, 162 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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