´ ´ UNIVERSITE DE MONTREAL ´ CONCEPTION ET INTEGRATION D’UN CAPTEUR LIDAR 3D POUR LA NAVIGATION AUTONOME DES ROBOTS MOBILES EN TERRAIN INCONNU JEAN-PHILIPPE ROBERGE ´ ´ ´ DEPARTEMENT DE GENIE ELECTRIQUE ´ ´ ECOLE POLYTECHNIQUE DE MONTREAL ´ ´ ´ MEMOIRE PRESENTE EN VUE DE L’OBTENTION ˆ ˆ ` ´ DU DIPLOME DE MAITRISE ES SCIENCES APPLIQUEES ´ ´ (GENIE ELECTRIQUE) AVRIL 2013 c Jean-Philippe Roberge, 2013. (cid:13) ´ ´ UNIVERSITE DE MONTREAL ´ ´ ECOLE POLYTECHNIQUE DE MONTREAL Ce m´emoire intitul´e : ´ CONCEPTION ET INTEGRATION D’UN CAPTEUR LIDAR 3D POUR LA NAVIGATION AUTONOME DES ROBOTS MOBILES EN TERRAIN INCONNU pr´esent´e par : ROBERGE Jean-Philippe en vue de l’obtention du diploˆme de : Maˆıtrise `es sciences appliqu´ees a ´et´e duˆment accept´e par le jury d’examen constitu´e de : ´ M. SAUSSIE David, Ph.D., pr´esident M. GOURDEAU Richard, Ph.D., membre et directeur de recherche M. LAMARCHE Tom, M.Sc.A., membre iii ` A mon p`ere... iv REMERCIEMENTS J’aimerais remercier particuli`erement mon directeur de recherche, Richard Gourdeau, pour son encadrement, son soutien et sa confiance. Je lui suis tr`es reconnaissant de m’avoir donn´e l’opportunit´e de travailler sur un projet aussi passionnant. Je tiens ´egalement a` expri- mer toute ma gratitude a` Tom Lamarche, mon superviseur a` l’Agence spatiale canadienne durant cette recherche. Par sa tr`es grande comp´etence, ses id´ees et sa rigueur, il a contribu´e a` augmenter significativement la qualit´e de ce travail. Un ´enorme merci `a l’ensemble du groupe du d´eveloppement de l’exploration spatiale de l’Agence spatiale canadienne. J’ai eu la chance unique de pouvoir travailler dans un milieu fascinant au sein d’une ´equipe constitu´ee de gens tout `a fait exceptionnels qui m’ont apport´e ´enorm´ement, tant au niveau professionnel qu’humain. Merci notamment `a David Gingras, qui m’a transmis une grande quantit´e de connaissances au sujet de la robotique mobile et des algorithmes de navigation autonome; Simon Rocheleau, pour sa complicit´e et son grand coup de main lors de la conception m´ecanique; Sylvain Mondor, pour son humanisme et son ´ ´ empressement `a aider; Erick Dupuis et Eric Martin, pour l’encadrement et les encourage- ments. Merci `a ma famille et a` mes amis, je vous suis tr`es redevable de votre soutien. Je remercie en particulier ma m`ere Nicole Quessy qui m’a encourag´e dans les moments plus difficiles et qui m’a donn´e un grand coup de main pour la correction de ce m´emoire. Un merci tr`es sp´ecial a` ma conjointe Roxane L´eouzon pour sa grande ´ecoute et pour avoir support´e beaucoup de soirs et de week-ends lors desquels j’´etais occup´e a` travailler. Jeveuxenfinremercierleconseilderecherchesensciencesnaturelleseteng´enie(CRSNG), lefondsderechercheduQu´ebec-natureettechnologies(FQRNT)ainsiquel’Agencespatiale canadienne pour les fonds octroy´es lors de cette recherche. v RE´SUME´ L’´etude de la plan`ete Mars suscite un int´erˆet grandissant au sein de la communaut´e ´ scientifique. Etant donn´e la distance s´eparant la Terre de cet astre, ainsi que l’environnement particuli`erement hostile y r´egnant, son exploration tire avantage de l’utilisation de robots mobiles (rovers). Les fenˆetres de communication peu nombreuses de mˆeme que les d´elais importants justifient le d´eploiement d’intelligence artificielle sur ces plates-formes mobiles afin de maximiser leur autonomie. L’un des enjeux primordiaux est alors la capacit´e que poss`edent de tels robots de naviguer de fa¸con autonome et donc de percevoir l’environnement au moyen de syst`emes de vision avanc´es. Le projet de recherche dont il est question dans ce m´emoire s’articule autour de ce th`eme et est r´ealis´e en collaboration avec l’Agence spatiale canadienne (ASC). L’objectif principal vise la conception d’un syst`eme de vision tridimensionnelle permettant a` un robot mobile de naviguer de fac¸on autonome. Il concerne plus particuli`erement la conception, l’int´egration et l’´etude de CORIAS (COntinuous Range and Intensity Acquisition System), un syst`eme de vision utilisant la technologie lidar (LIght Detection And Ranging). Le syst`eme en question utilisecommecapteurprincipalunlidarLMS111delacompagnieSICK.L’appareild´evelopp´e au cours de cette recherche r´epond non seulement `a l’objectif principal, mais il est ´egalement dot´e des caract´eristiques suivantes : La reproduction tridimensionnelle de l’environnement s’effectue dans un rayon maxi- • mum de 20 m`etres. L’acquisition des donn´ees se fait `a raison d’un d´ebit maximal de 27 050 points par • seconde. Letempsrequispourbalayercompl`etementl’environnementavecdesparam`etresd’op´e- • rationtypiques(uner´esolutionde0,25◦ en´el´evationetde0,50◦ enazimut)estd’environ 29 secondes. Le syst`eme peut transmettre les mesures d’intensit´e associ´ees aux points acquis. • Les r´esolutions verticale (´el´evation) et horizontale (azimut) sont configurables et assez • fines pour d´etecter des obstacles. Le syst`eme pr´esente un niveau raisonnable de protection face aux conditions environ- • nementales hostiles (poussi`ere, pluie, neige, etc). vi CORIAS n´ecessite seulement une alimentation de 24 volts DC et un lien Ethernet pour ˆetre op´er´e. Il peut ainsi ˆetre install´e ais´ement sur plusieurs types de plates-formes. L’ordi- nateur de bord du robot envoie au syst`eme de vision les commandes `a accomplir. Le micro- controˆleur, pi`ece centrale du syst`eme, op`ere sous Linux et agit comme serveur TCP-IP. Il se charge entre autres de la gestion des commandes, ainsi que du pr´econditionnement et du transfert des donn´ees. Le traitement des donn´ees s’effectue quant `a lui sur l’ordinateur de bord, ou` des algorithmes visant a` filtrer les points et `a extraire la surface navigable sont mis a` contribution. A` l’´et´e 2011, CORIAS fut d’abord utilis´e sur le terrain d’´emulation de Mars (TE´M) de l’ASC `a des fins de validation. Durant cette campagne de tests qui s’´echelonna sur trois jours, plus de 112 balayages complets et g´eor´ef´erenc´es furent acquis avec succ`es. Les donn´ees ´ recueillies lors de cette exp´erience servirent a` g´en´erer un mod`ele num´erique du TEM et furent diffus´ees `a titre de base de donn´ees scientifiques dans l’International Journal of Robotics Research (IJRR). A` l’´et´e 2012, CORIAS fut int´egr´e au robot mobile Juno, une plate-forme robotique de recherche et d´eveloppement utilis´ee par l’ASC. vii ABSTRACT The study of Mars is of growing interest among the scientific community. Given the large distance between this planet and the Earth, as well as the hostile environment prevailing there, its exploration takes advantage of using rovers. The rare communication windows, alongwiththeimportantdelaysoccuringduringcommunications,justifyartificialintelligence deployment on these mobile platforms in order to maximize their autonomy. Hence, one of the crucial issues is the ability the rover has to autonomously navigate and thus, to properly detect its environment with the help of advanced vision systems. The research project discussed in this thesis focuses on this theme and is done in colla- boration with the Canadian Space Agency (CSA). The main objective is to design a three- dimensional vision system enabling a mobile robot to navigate autonomously. It relates more particularly to the design, integration and study of CORIAS (COntinuous Range and Inten- sity Acquisition System), a vision system using lidar (LIght Detection And Ranging). The system uses a LMS111, manufactured by SICK, as its main sensor. The device developed in this research project not only meets the main objective, but it also has the following characteristics : The three-dimensional reproduction of the environment is performed within a 20 meter • radius. The maximum data acquisition rate is 27050 points per second. • The time required to complete a full-coverage scan performed with typical operation • parameters (0,25◦ elevation and 0,50◦ azimuth resolutions) is around 29 seconds. The system is able to transmit the intensity measurements associated with the acquired • points. Vertical (elevation) and horizontal (azimuth) resolutions are configurable and fine en- • ough to detect obstacles. The system has a reasonable level of protection against bad weather conditions (dust, • rain, snow, etc.). CORIAS only requires a 24 volts DC power supply and an Ethernet link to be operated. It can be installed easily on a large variety of platforms. The rover’s on-board computer is responsible for communicating with the vision system and provides the commands it needs to accomplish. The microcontroller, which is the central part of the system, operates on Linux and acts as a TCP-IP server. It is responsible, among other things, for managing viii all the commands, pre-processing data and transferring these to the rover’s computer. Data processing is then performed on the rover’s onboard computer, where algorithms aiming at filtering points and extracting the navigable mesh are involved. In the summer of 2011, CORIAS was first used on CSA’s Mars Emulation Terrain (MET) for validation purposes. During this three-day test campaign, over 112 georeferenced full- coverage scans were successfully acquired. The data produced by this experiment was used to generate MET’s digital elevation map and was shared as a scientific database in the International Journal of Robotics Research (IJRR). In the summer of 2012, CORIAS was finally integrated on the Juno rover, a robotic platform for research and development used by CSA. ix TABLE DES MATIE`RES ´ DEDICACE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii REMERCIEMENTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv ´ ´ RESUME . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v ABSTRACT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii ` TABLE DES MATIERES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix LISTE DES TABLEAUX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii LISTE DES FIGURES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiv LISTE DES ANNEXES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .xvii ´ LISTE DES SIGLES ET ABREVIATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .xviii INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 ´ CHAPITRE 1 REVUE DE LITTERATURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.1 Les syst`emes de vision couramment utilis´es en navigation autonome . . . . . . 3 1.1.1 Cam´era st´er´eoscopique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.1.2 Lidar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Lidar 2D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Lidar 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.1.3 Syst`emes de vision a` capteurs mixtes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.1.4 Autres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Radar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Sonar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Syst`eme `a triangulation active . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Flash lidar 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.2 Caract´erisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 ´ 1.3 Etalonnage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.4 Traitement des donn´ees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.4.1 Traitement de l’intensit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 x Approche par mod`ele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Approche par donn´ees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 ´ CHAPITRE 2 DEFINITION DES OBJECTIFS DE RECHERCHE . . . . . . . . . . 27 2.1 Mise en contexte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.1.1 Principes de la navigation autonome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.1.2 Environnement d’exp´erimentation et de validation . . . . . . . . . . . . 32 2.2 Objectif global . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.3 D´efinition des objectifs sp´ecifiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 CHAPITRE 3 CONCEPTION. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.1 Choix du mat´eriel et design m´ecanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.1.1 Lidar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.1.2 Table rotative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.1.3 Moteur intelligent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.1.4 Microcontroˆleur et circuits ´electriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.1.5 Boˆıte d’engrenages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.1.6 Cabinet ´electrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.1.7 Pi`eces usin´ees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Support du moteur et de la boˆıte d’engrenages . . . . . . . . . . . . . . 42 Supports de la table tournante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Support du lidar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Support de l’assemblage global . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.1.8 Assemblage global . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Les configurations d’assemblage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.2 Design ´electrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.2.1 Interconnexions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.2.2 Gestion de l’alimentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.2.3 Amplification des signaux de l’encodeur incr´emental . . . . . . . . . . . 48 3.2.4 Ajout d’une interface RS-232 au microcontroˆleur . . . . . . . . . . . . . 48 3.3 Architecture informatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.3.1 Recompilation du noyau du NGW100 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.3.2 Configuration des r´eseaux de communication . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.3.3 Programmes informatiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.3.4 Gestion des requˆetes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.3.5 Fonctionnalit´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.3.6 Communications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52