Systèmes d’acquisitions et sources de bruits

 Systèmes d’acquisitions de données 3D

Pour acquérir des données et cartographier notre environnement, plusieurs types de systèmes différents existent. Lorsque l’on parle de système, on englobe l’ensemble des capteurs qui interviennent dans la chaîne de production des cartes 3D, allant des scanners LIDAR pour acquérir les données aux GPS et centrales inertielles pour référencer les données. On peut séparer les systèmes d’acquisitions en deux catégories principales : les systèmes d’acquisitions dits « fixes », utilisés principalement pour avoir des cartes représentant très précisément l’environnement, et les systèmes d’acquisitions mobiles, qui permettent d’acquérir un environnement de taille très importante, mais bien plus rapidement que les systèmes fixes. Chaque type de système possède des avantages et des inconvénients, que nous allons essayer de présenter dans cette partie. Ce qu’il faut savoir, c’est que l’on parle bien de système d’acquisition, et non de capteur d’acquisition LIDAR : en effet, un même capteur LIDAR peut très bien être utilisé dans un système fixe ou mobile. Nous verrons en revanche dans la section 2.2 que les capteurs LIDARs sont adaptés à l’un ou l’autre des types d’acquisitions.

Les systèmes d’acquisition fixes

Un système d’acquisition fixe permet de cartographier un environnement de façon très précise : comme le nom l’indique, un système d’acquisition fixe permet de cartographier à l’arrêt, ce qui enlève de nombreuses sources de bruits, notamment provenant de l’utilisation d’autres capteurs lors de l’acquisition mobile. Il est alors possible de cartographier une zone donnée très précisément, puisque le système ne bouge pas lors de l’acquisition, et cela permet aussi de produire des données plus ou moins denses selon le besoin. Les systèmes fixes sont très utilisés dès qu’il est nécessaire d’avoir un niveau de détail fin dans les cartes 3D. Figure 2.1 – Exemple de système d’acquisition fixe La figure 2.1 présente un tel système fixe, où le capteur LIDAR qui permet de faire les acquisitions  est monté sur un trépied : on peut remarquer la présence de sphères au sol, qui sont utilisées pour consolider les données. Le scanner qui est présenté est un capteur LIDAR de la gamme FARO [Faro LIDAR sensor, 2017]. Pour faire une acquisition d’une large zone avec un système fixe, il faut placer le scanner en différentes stations d’acquisitions, ce qui a pour effet de produire plusieurs « morceaux » de cartes 3D, que l’on va consolider entre elles avec un recalage par exemple. Le problème est que cela prend beaucoup de temps, même si les acquisitions sont faites avec une faible résolution ; un protocole d’acquisition simplifié serait le suivant : 1. Placer le scanner sur une station d’acquisition. 2. Effectuer l’acquisition. 3. Déplacer le scanner sur une autre station. 4. Répéter les étapes 2 et 3 jusqu’à la fin de l’acquisition. Les stations d’acquisitions sont marquées très précisément : ce type d’acquisition se fait généralement sans capteur tiers, à savoir un GPS ou des odomètres, et pour avoir des cartes 3D correctement référencées (ou géoréférencées), il faut s’appuyer sur le référencement des stations. Le scanner est déplacé à la main, ce qui contribue à allonger la durée de l’acquisition. De plus, l’immobilité du scanner permet d’effectuer des relevés avec une résolution d’acquisition très fine, ce qui augmente encore plus la durée de l’acquisition. En résumé, les systèmes d’acquisition fixes permettent d’avoir une cartographie très précise, avec un niveau de détail fin, mais le temps pris par l’acquisition est très important : dans certains cas, ce temps est trop important, presque limitant en fonction de l’application de cartographie visée, notamment parce que les zones numérisées sont très importantes, de l’ordre de plusieurs km2 . C’est pour cela que des systèmes d’acquisitions mobiles sont utilisés.

Les systèmes d’acquisition mobiles

Un système d’acquisition mobile doit, comme son nom l’indique, pouvoir se déplacer. On trouve plusieurs types de systèmes mobiles, allant du drone au véhicule utilitaire, qui permettent de créer des cartographies différentes selon le cas d’application. Un des systèmes mobiles les plus connus et anciens est le système d’acquisition aéroporté : les premières acquisitions datent des années 60, avec notamment un des premiers travaux en 1967 de Patrick McCornick, où un appareil aéroporté de la NASA volait à altitude constante pour faire des acquisitions avec un LIDAR. Aujourd’hui, la miniaturisation des technologies d’acquisition ont permis le développement de drones, qui sont aussi utilisés pour faire de la cartographie et qui peuvent être équipés de l’ensemble des capteurs utiles à une telle tâche : centrale inertielle, caméras, capteurs LIDAR, GPS. De nombreuses entreprises comme Parrot [Parrot ebee site web, 2017], Flying Eye [Flying eye site web, 2017] ou 3DRobotics [3DR site web, 2017] développent des drones pour la cartographie : l’avantage de ces solutions est qu’elles sont peu coûteuses et simple d’utilisation puisqu’il suffit de savoir piloter un drone. Elles sont aussi faciles à mettre en œuvre, de nombreuses entreprises proposent des drones complets, avec maintenance comprise, et pour lesquels il suffit d’ajouter certains capteurs comme les caméras ou les scanners LIDAR. Du côté des véhicules terrestres, [Ellum et El-Sheimy, 2002] présentent un historique des véhicules d’acquisitions mobiles, qui sont apparus au début des années 1990, notamment avec un véhicule développé par « le centre de cartographie de l’université d’état d’Ohio » [Goad et Novak, 1991]. Les véhicules d’acquisitions mobiles terrestres sont très utilisés aujourd’hui, pour pallier à l’utilisation des systèmes d’acquisitions fixes en environnement extérieur : ils permettent d’acquérir des grands volumes de données en un temps assez court, en comparaison aux systèmes fixes. Pour avoir la meilleure cartographie possible, ces véhicules sont équipés de plusieurs capteurs : des capteurs d’acquisitions pour la cartographie, mais aussi des capteurs permettant d’estimer la position du véhicule d’acquisition au cours de la cartographie. Comme pour les systèmes aéroportés, des systèmes mobiles de plus petites tailles ont été développés afin d’accéder à des zones dangereuses ou Figure 2.2 – Quelques exemples de drones : a) Drône ebee de Parrot ; b) Drône Flying eye ; c) Drône 3DRobotics hors d’accès aux véhicules pour les véhicules routiers : Andreas Nüchter présente un petit robot dans [Nüchter et al., 2007] qui permet de cartographier aussi bien des environnements en intérieur et en extérieur ; dans [Nüchter et al., 2004], un autre robot est présenté pour de la cartographie de mines, qui sont dangereuses et difficiles d’accès à l’homme. Un autre système du même genre est présenté dans [Montemerlo et Thrun, 2006], une plateforme Segway qui accueille différents capteurs. Ces « petits » systèmes, bien que plus lents que les véhicules routiers, restent plus pratiques à utiliser que les systèmes fixes pour cartographier des zones de tailles importantes ; ils sont mêmes indispensables dans certains cas pratiques, comme par exemple lorsque la cartographie concerne une zone accidentée ou dangereuse pour l’homme. Enfin, on peut aussi évoquer l’existence de systèmes portables « humains » : [Liao et al., 2013] et [Nüchter et al., 2015] présentent des systèmes de cartographie portés par un homme, sans centrale inertielle, et avec différents scanners 2D ou 3D. Un des avantages est le coût très faible du système en comparaison à des robots, ou encore la praticité pour des zones en intérieur, où on peut rencontrer de nombreux obstacles et des escaliers par exemple.