Enseignements tirés des sessions terrains 

La combinaison des 2 mesures dans le filtrage KALMAN pour la technologie SLAM

Le principe du filtrage KALMAN se résume à une phase de prédiction et une phase de mise à jour. L’information en sortie de la centrale inertielle et le nuage de points 3D sont combinés en entrée du filtre pour prédire une position future à partir de la position précédente. Dans l’étape de mise à jour, la position actuelle est utilisée pour corriger la prédiction. Le positionnement inertiel permet d’avoir une trajectoire indépendante de l’environnement. Le scanner laser permet de créer des nuages de points 3D.
Le filtre KALMAN a la particularité de pouvoir tirer le meilleur parti des 2 informations.
En effet, il va récupérer de la centrale inertielle une position approximative instantanée indispensable à la localisation du ZEB-REVO dans l’environnement et une cartographie précise de l’environnement grâce au scanner laser rotatif.
Ces capteurs permettent en même temps de cartographier son environnement et de se localiser à l’intérieur à l’aide d’amers. C’est le principe de fonctionnement de la méthode SLAM. Ici cette technologie n’est pas visuelle comme dans la plupart des robots automatisés. Les amers sont les références de l’environnement qui vont aider l’appareil à se localiser dans celui-ci. Ils sont construits à partir de la reconnaissance de formes du nuage de points 3D au lieu des points d’intérêt entre chaque image. Il est donc capital que l’appareil reconnaisse bien les formes dans son environnement pour bien se positionner à l’intérieur de celui-ci.

Logiciels de calcul

GEOSLAM HUB

Le logiciel GEOSLAM HUB permet de convertir et recalculer les levés obtenus avec le ZEB-REVO. En effet, les nuages de points se récupèrent directement depuis le calculateur de l’appareil. Ils peuvent être recalculés pour améliorer la précision du nuage.
Il n’est pas utile d’étudier l’interface de conversion car elle n’a aucun intérêt pour la problématique du sujet. En revanche, le calcul a posteriori du nuage est intéressant. Une option « reprocess » est disponible sur le logiciel. Elle permet d’ajuster les paramètres de calcul du nuage en vue de son recalcul. Au vu de son utilisation future en extérieur pour réaliser des plans d’alignement, il est nécessaire de comprendre les options de calcul utiles avant de réfléchir à une méthodologie de levé et de report. Deux catégories d’options sont disponibles. Les paramètres qui affectent la trajectoire de position en position (local) et les paramètres qui affectent la trajectoire globale.

Paramètres locaux

Ainsi, il est possible de régler le seuil de convergence du calcul de la position future au travers de l’option « convergence treshold ». Il s’agit d’un curseur allant de 0 à 5.
Pour que les résultats soient suffisamment cohérents, il faut que le seuil de convergence soit assez haut pour obtenir la précision maximale. À partir d’un certain stade il sera inutile d’augmenter la valeur associée à ce curseur puisque le calcul ne pourra pas converger en dessous de la précision du levé.
La taille des voxels est aussi réglable de -1 à 3. À -1, le logiciel va se concentrer sur des voxels de grande taille. À 3, les voxels seront plus fins et le logiciel recherchera des éléments communs plus petits. Cette option s’appelle « Voxel density ».
L’option « Windows size » gère les points communs entre différentes positions de scan. À 0, le logiciel cherche des points communs proches entre chaque position. À 5, le logiciel cherche des points communs plus loin entre chaque position du ZEB-REVO.
La « rigidité » est aussi réglable au travers de l’option « Rigidity ». Par rigidité, le constructeur entend prioriser les mesures inertielles ou la reconnaissance de forme. Un curseur allant de -5 à 5 est proposé. À -5, la centrale inertielle est priorisée. À +5, c’est la reconnaissance de formes qui est priorisée.

Paramètres globaux

La notion de seuil de convergence et de « rigidité » est de nouveau présente. Elles ont les mêmes fonctions que dans le groupement de paramètres précédent mais dans une fonction plus globale. En effet, la trajectoire n’est plus vue de position en position mais de manière complète. Deux options sont disponibles.
La priorisation des surfaces planes permet de d’affiner le calcul en cas de mouvements pendant le scan.
On peut indiquer au logiciel si le levé à fait l’objet d’une boucle fermée. Cela permet d’améliorer sensiblement la précision des calculs. C’est pour cela que tous les levés sont des boucles.

Synthèse et préconisations en vue de l’utilisation du ZEB-REVO

La description de ces logiciels et des caractéristiques techniques des appareils nous permet de mieux comprendre l’utilisation de ce système. L’appareil en lui-même utilise une centrale inertielle et la reconnaissance de formes pour cartographier son environnement et se positionner à l’intérieur de celui-ci. Il faut tester l’appareil sur un même chantier (en intérieur et en extérieur) avec des critères de calcul différents pour se faire une idée précise du matériel.
Un environnement est soit riche soit pauvre. Selon cette nature, on observera différents critères de calculs. Par pauvre, on entend, un environnement avec peu de détails (par exemple un couloir avec des murs lisses ou un chantier en extérieur comme une route en bordure de champs).
Étant donné l’étape de consolidation, il va être nécessaire d’imposer un recouvrement entre les zones levées. 30% et le minimum recommandé par Bastien RICARD dans son TFE et par GEOMESURE.

Enseignements tirés des sessions terrains

Les tests vont être divisés en 2 phases. Un test dans un environnement riche en intérieur puis un autre test en environnement pauvre en extérieur. Un recouvrement de 30% sera respecté entre chaque zone de levé pour la consolidation des nuages si nécessaire. Des boucles seront réalisées pour obtenir une précision en dessous des 3,5 centimètres La durée des levés sera au maximum de 15 minutes pour éviter le phénomène de dérive sur la fin du levé. Les trajectoires de la tête du ZEB-REVO ne se recouvriront pas.
Pour avoir une comparaison fiable, les environnements seront aussi levés au scanner laser FARO X130.

Test du ZEB-REVO en environnement riche

Avant de commencer les tests, il convient de définir correctement ce que représente un environnement riche. Il s’agit d’un lieu ayant suffisamment d’éléments pouvant être associé à des amers que l’appareil puisse reconnaître et utiliser dans les calculs.
Les mesures occasionnent un bruit global de 3,5 centimètres Lorsqu’on superpose les nuages scan et ZEB-REVO, le nuage du FARO X130 est au milieu du bruit ambiant du ZEB-REVO. Les mesures de comparaison seront alors prises au milieu de ce nuage. Une mise à jour de GEOSLAM HUB met en place une régression linéaire pour réduire le bruit de mesure du ZEB-REVO à 1 cm Cette mise à jour ne pourra pas être utilisée lors des tests.

Calcul avec ajustement des paramètres « Voxel » et « Windows size »

L’ajustement des paramètres « Voxel » et « Windows size » a donné lieu à une série de tests car il y a un nombre élevé de curseurs. Les seuls paramètres qui peuvent avoir une influence réelle sur le calcul sont « Windows size » et « Voxel Density » en ajustement position après position et « Prioritize Planar Surfaces » en ajustement global. Cette option ne sera pas testée puisqu’elle ne s’utilise uniquement qu’en cas de mouvement d’objets ou de personnes autres que l’opérateur pendant le levé.
L’option « Voxel Density » laisse place à 2 stratégies dans le calcul proche en proche. Soit on place le curseur sur -1 pour chercher des éléments de calage plus grands soit on le règle à 3 pour chercher des éléments de calage plus fins. Comme l’option « Windows size » permet d’aller chercher ces éléments de calage plus loin. On se demandera s’il est préférable d’aller chercher des amers de taille plus ou moins grande et ou plus ou moins loin. En croisant toutes les possibilités d’utilisation des paramètres locaux il se dégage 4 possibilités :
-Paramétrer le calcul pour chercher des objets de plus grande taille avec des points communs plutôt proches entre chaque position.
-Paramétrer le calcul pour chercher des objets de plus grande taille avec des points communs plutôt éloignés entre chaque position.
-Paramétrer le calcul pour chercher des objets de plus petite taille avec des points communs plutôt proches entre chaque position.
-Paramétrer le calcul pour chercher des objets de plus petite taille avec des points communs plutôt éloignés entre chaque position.
Ces tests montrent que la recherche d’objets de plus petite taille donne de très mauvais résultats. En revanche, le calcul avec des éléments de plus grande taille permet d’affiner la précision lorsqu’on utilise des points communs plus proches entre chaque position.

Calculs en priorisant la reconnaissance de formes

Calcul sans ajustement des paramètres « Voxel « et « Windows size »

Dans cette partie on s’attendait à de meilleurs résultats. En effet, la centrale inertielle a montré des résultats globalement intéressants mais subit une dérive sur certaines parties du levé. Pousser le curseur de rigidité à -5 dans le calcul devrait nous permettre d’affiner les résultats et obtenir une meilleure précision.
Ces derniers sont là aussi globalement bons. Le bruit de mesure est moins important que lorsqu’on a priorisé la centrale inertielle. On remarque que la priorisation de la centrale inertielle en « Global » et en « Local » à un effet sur la forme du nuage. En effet, les points sont beaucoup plus dispersés sur le nuage issu du calcul en priorisant la centrale inertielle et la dérive est plus importante. Ici la dérive du nuage se limite à 1,6 cm et le bruit à un peu plus de 3 centimètres. Par comparaison, le bruit du nuage de points issu du calcul en priorisant la centrale inertielle dépasse lui les 3,5 cm et la dérive globale est de 3,6 cm.
Après recherche, la dérive du système se constate au même endroit que précédemment mais 2 à 3 fois moins importante que lors du calcul avec priorisation de la centrale inertielle. Ce résultat était attendu même pour un lever de courte durée. En effet, en diminuant la durée des levers, la dérive de la centrale inertielle devait être réduite et c’est probablement la raison pour laquelle les résultats de la partie précédente ne sont pas décevants et restent exploitables.

Calcul avec ajustement des paramètres « Voxel « et « Windows size »

De la même manière que pour II.1.1.b., 4 hypothèses de calcul se dégagent :
-Paramétrer le calcul pour chercher des objets de plus grande taille avec des points communs plutôt proches entre chaque position.
-Paramétrer le calcul pour chercher des objets de plus grande taille avec des points communs plutôt éloignés entre chaque position.
-Paramétrer le calcul pour chercher des objets de plus petite taille avec des points communs plutôt proches entre chaque position.
-Paramétrer le calcul pour chercher des objets de plus petite taille avec des points communs plutôt éloignés entre chaque position.
La dernière hypothèse de calcul est à proscrire lorsqu’on priorise la centrale inertielle. Le calcul ne converge pas si on cherche des objets de petite taille avec des points communs éloignés. On s’aperçoit aussi que le paramétrage qui consiste à chercher des éléments de grandes tailles avec des points communs plutôt proches est efficace. En effet, on passe à 1,4 cm de décalage entre le nuage acquis au scanner laser FARO X130 et le nuage du ZEB-REVO.

Test du ZEB-REVO en environnement pauvre (en extérieur)

Après un rendez-vous avec Monsieur Alain TERME, technicien de voirie, la mairie de Cavaillon m’a permis de réaliser des tests sur l’ancien chemin du Vieux Taillades à Cavaillon où l’alignement doit être déterminé.
Deux approches vont être éprouvées, l’une sans ajout d’amer qui va nous permettre de nous rendre compte de la précision du matériel et notamment de la centrale inertielle. Une autre va nous permettre de nous rendre compte s’il est possible d’améliorer cette précision en ajoutant des amers. Les comparaisons seront faites avec des levers de la même zone au scanner laser FARO X130 dont la précision du lever est inférieure à 5 mm en consolidant les 2 nuages comme fait en environnement pauvre.
Une zone d’à peu près 70 m a été définie sur la partie Est du chemin car l’environnement y est suffisamment pauvre pour pouvoir éprouver correctement le matériel en vue de la réalisation de plans d’alignement. Cette zone se situe au début de la partie Est de l’ancien chemin du vieux Taillade et est constituée d’une haie sur un coté de la route et d’un talus sur l’autre côté.

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Table des matières
Remerciements 
Liste des abréviations 
Glossaire 
Table des matières 
Introduction
I. Le ZEB-REVO 
I.1 CARACTERISTIQUES TECHNIQUES
I.2 METHODE DE CALCUL
I.3 LOGICIELS DE CALCUL
I.4 SYNTHESE ET PRECONISATIONS EN VUE DE L’UTILISATION DU ZEB-REVO
II. Enseignements tirés des sessions terrains 
II.1 TEST DU ZEB-REVO EN ENVIRONNEMENT RICHE
II.1.1 CALCUL EN PRIORISANT LA CENTRALE INERTIELLE
II.1.2 CALCULS EN PRIORISANT LA RECONNAISSANCE DE FORMES
II.2 TEST DU ZEB-REVO EN ENVIRONNEMENT PAUVRE (EN EXTERIEUR)
II.2.1 SANS AJOUT D’AMERS
II.2.2 AVEC AJOUT D’AMERS
II.3 CONSOLIDATION, REPORT ET AUTOMATISATION
II.3.1 ASSEMBLAGE DES NUAGES
II.3.2 AUTOMATISATION GRACE AUX CLASSIFICATIONS DE POINTS SUR REALWORKS
II.3.3 AUTOMATISATION SUR GEOSLAM DRAW
II.3.4 COMPARAISON
II.3.5 REPORT
II.4 ENSEIGNEMENTS TIRES DES ESSAIS
II.5 FICHES METHODOLOGIQUES
III. L’alignement 
III.1 DEFINITION
III.2 ÉTAT DE L’ART
III.2.1 PLANS GENERAUX D’ALIGNEMENT
III.2.2 L’ARRETE D’ALIGNEMENT INDIVIDUEL
III.2.3 PROBLEMATIQUES
III.2 LES METHODES DE LEVES
III.2.1 LEVE PAR TACHEOMETRIE ET GNSS
III.2.2 LEVE PAR ZEB-REVO ET GNSS
III.2.3 LEVE PAR ZEB HORIZON ET GNSS
III.3 RESULTATS
III.3.1 PRECISION
III.3.2 TEMPS DE LEVER
III.3.3 TEMPS DE REPORT
III.3.4 TEMPS TOTAUX
III.3.5 COUTS ET PRIX PROPOSES
III.3.6 PRODUIT FINI
III.4 INTERET DES METHODES POUR L’ALIGNEMENT
IV Conclusion
Bibliographie 
Ouvrages imprimés 
Travaux universitaires (pour le premier seulement sinon c’est la biblio) 
Sites web
Communication dans un congrès
Liste des figures 
Liste des tableaux 

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