LISPAC

Lidar System Parameters Automatic Calibration

Les systèmes LiDAR (Light Detection and Ranging) sont de plus en plus utilisés à partir de diverses plateformes mobiles (aéroportées, terrestres, navales) pour des applications aussi variées que l’inventaire d’infrastructures routières, l’étude des phénomènes d’érosion côtière, le calcul du volume de matériaux extraits des mines, etc. Le marché d’avenir des drones civils est en pleine explosion dans la cartographie de terrain. Leur facilité d’utilisation, leur précision et leur capacité à naviguer dans des environnements complexes font des drones un outil de premier choix.

Calibration automatique et détection systématique des erreurs

Ce projet de recherche et développement porte sur l’amélioration des performances de systèmes le mesure LiDAR porté par des mobiles (navires, véhicules), qui sont de plus en plus utilisé dans les domaines du monitorage de l’érosion côtière, d’inspection d’infrastructures marines, de levés de caractéristiques du trait de côte. Notre projet cible les utilisateurs de systèmes à composants hybrides, et vise à développer des outils logiciels permettant d’une part d’améliorer les performances à travers des algorithmes de calibration originaux, et d’autre part à fournir des outils numériques d’évaluation objective des performances de ces systèmes, de manière à déterminer objectivement leurs limites d’utilisation en fonction des contraintes de précision imposées par certaines applications.

Notre projet cible les utilisateurs de systèmes à composants hybrides, et vise à développer des outils logiciels permettant d’une part d’améliorer les performances à travers des algorithmes de calibration originaux, et d’autre part à fournir des outils numériques d’évaluation objective des performances de ces systèmes, de manière à déterminer objectivement leurs limites d’utilisation en fonction des contraintes de précision imposées par certaines applications. L’objectif de ce projet est de développer des méthodes de calibrage automatique les plus objectives possible, les plus précises et exactes possibles de manière à réduire fortement le niveau d’incertitude de systèmes LiDAR portés par des mobiles (véhicules terrestres, navires).

  • Améliorer les méthodes existantes de calibrage de système LiDAR, et à les intégrer dans un logiciel indépendant
  • Développer dans le même esprit des méthodes de validation de performances, ainsi qu’un modèle de propagation d’erreur permettant de prédire les performances en termes d’exactitude et de précision de mesure pour une application donnée.
  • Intégrer les technologies de calibration automatique et de détection systématique d’erreurs sur des plateformes autonomes (véhicules autonomes, drones, asv, auv)

Projet PSR-SIIRI

Calibration de système LIDAR mobile et analyse des performances

L’approche adoptée pour la définition des algorithmes de calibrage de systèmes LiDAR repose sur des modélisations mathématiques de l’effet d’erreurs systématiques sur les points géo-référencés. Ces modèles sont complexes, car ils prennent en compte l’ensemble des sources d’erreur pouvant agir sur chaque point, mais peuvent néanmoins être exprimés sous une forme paramétrique.

L’originalité et la rigueur de notre approche résident également dans le fait que les incertitudes liées aux observations provenant des différents capteurs (LiDAR, INS, GNSS) sont propagées dans un modèle de géo-référencement. Chaque capteur est ainsi affecté d’une incertitude en 3D (ce qui est en soit innovant par rapport aux méthodes employées dans les logiciels de traitement de données LiDAR actuels), qui peut alors être prise en compte dans la phase d’ajustement des paramètres inconnus du système. En effet, le but de nos méthodes est d’estimer la partie systématique des erreurs, et non pas l’effet d’incertitudes statistiques sur les observations du système LiDAR.

Les algorithmes de calibrage des paramètres d’un système LiDAR ne peuvent fonctionner que si les effets de certaines erreurs sont effectivement observables dans les données d’entrée des méthodes d’ajustement. Il s’agit donc de sélectionner les données adéquates permettant de garantir la possibilité d’inversion des paramètres d’erreurs systématiques. Ceci sera effectué en mettant au point des critères d’observabilité de chaque erreur prise indépendamment en vue de sélectionner les données permettant une estimation non biaisée des paramètres d’erreur.

Déroulement

  • Mise au point de méthodes de calibrage en laboratoire (in lab), ne nécessitant pas de positionnement ;
  • Adaptation des méthodes de calibrage sur terrain naturel (in situ) aux données d’un LiDAR mobile terrestre, et intégration sur une plateforme navale (en collaboration avec le CCOM (USA));
  • Validation des méthodes dans les contextes du levé mobile terrestre et naval ;
  • Définition de la séquence d’application de chaque méthode en fonction de la morphologie du terrain, des conditions de levé, et de la présence éventuelle d’autres erreurs systématiques.

Dans une seconde phase, on intégrera ces méthodes au sein d’un noyau logiciel de calibrage automatique à partir de données issues de terrains naturels, et de données issues de tests en laboratoire permettant à l’utilisateur :

  • De définir des régions d’analyse sur des zones de recouvrement de données LiDAR ;
  • D’extraire automatiquement les régions propices au calibrage des différents paramètres du système LiDAR-IMU-GNSS ;
  • De réaliser automatiquement l’ajustement des paramètres d’erreur ;
  • De rectifier le jeu de données analysé, et de calculer des indicateurs de performance ;
  • D’estimer un modèle d’erreur de géo-référencement, incorporant l’effet de tous les paramètres d’erreur.

État d’avancement (Résultats)

Volet scientifique

L’apport scientifique du projet réside dans la conception de méthodes de calibrage innovantes, fonctionnant en laboratoire ou in situ, et les logiciels associés. L’apport technologique du projet est important puisqu’à travers ce travail de recherche et développement, nous concevons des méthodes de calibrage automatique et d’analyse de performances pouvant s’appliquer à une variété importante de systèmes. À l’issue du projet, le résultat majeur attendu est un ensemble de logiciels :

  • Logiciel de calibrage en laboratoire des paramètres LiDAR, sans recours au positionnement ni au géo-référencement absolu des points LiDAR. Ces logiciels complémentent des moyens de calibrage en laboratoire, développé par l’Université Laval, et qui ont pour objectif d’utiliser une infrastructure plus simple et moins couteuse que les méthodes développées pour l’instant par le CIDCO.
  • Logiciel de calibrage à partir de données in situ, avec sélection automatique de données en recouvrement et selon des critères d’observabilité de chaque paramètre de calibrage.
  • Logiciel de vérification des performances de systèmes LiDAR.
  • Logiciel de prédiction de l’erreur totale propagée d’un système LiDAR compte tenu des statistiques d’erreurs résiduelles de calibrage et des performances de chaque capteur (LiDAR, INS, et positionnement GNSS).

Le projet de recherche a pour objectif de développer un logiciel de calibrage, d’analyse des performances, et de simulation d’un modèle de propagation d’erreur pouvant s’appliquer à tout système LiDAR basé sur des composants hybrides. Ceci représente une avancée notable dans le domaine de la cartographie mobile par LiDAR. En effet, nombre de logiciels sont dédiés au traitement de données LiDAR, mais peu le sont au calibrage et à l’analyse de performance. Le caractère innovant du projet réside dans le fait que nous proposons de développer un logiciel indépendant de tout constructeur de matériel (et donc objectif), utilisant des méthodes de calcul plus performantes que les logiciels existants.
Au niveau scientifique, les méthodes de calibrage proposées dans ce projet sont des méthodes rigoureuses s’appuyant sur de solides bases mathématiques. Cette approche très prometteuse doit être valorisée et généralisée au domaine de la cartographie mobile par LiDAR.

PARTENAIRES

Pour réaliser ce projet, le CIDCO a réuni un partenariat international important, qui soutiennent le projet notamment en terme de fourniture d’infrastructures, de matériels et plateforme LiDAR de façon à minimiser les coûts. Le projet peut ainsi se focaliser sur le travail de conception et développement de logiciels de calibration et d’analyse de performances, qui sera la réelle valeur ajoutée du projet.

Les partenaires: