Perception pour la conduite automatisée

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1 Perception pour la conduite automatisée Aurélien Cord Jean-Philippe Tarel Déroulé du cours (1/3) Introduction * Présentation du cours et des intervenants. * Niveau d'intervention d'un système (Prévenir / Assister / Agir) * Les capteurs disponibles (Ultrason, Radar, Laser, Caméra) Reconnaissance d'objets routiers (1/2) * Outils générique de reconnaissance de forme, apprentissage et classification. Séance de TP : Introduction à Matlab pour le traitement d'image 1

2 Déroulé du cours (2/3) Reconnaissance d'objets routiers (2/2) * Application à la reconnaissance piétons Localisation de la route, de l'espace navigable * Introduction (exemples d'applications) * Techniques de filtrage d'image * Détection de marquages * Estimation robuste * Suivi temporel Déroulé du cours (3/3) Stéréovision et détection d'obstacle * Stéréovision * Détection d'obstacle. Séance de TP : Localisation de la route et Stéréovision Visibilité dégradée * Détection et quantification de la pluie et du brouillard par caméra * Application embarquée ou bord de voie. * Restauration d'image (débruitage, Inpainting) Séance de TP : Reconnaissance et Visibilité 2

3 Laboratoire des Interactions Véhicules Infrastructures Conducteur (LIVIC) Trois équipes : Risque Décision et action, Simulation, intégration, test et évaluations Perception Aurelien.cord@lcpc.fr 5 Laboratoire Exploitation, Perception, Simulateurs et ( LEPSIS ) Simulations Vision artificielle, perception du conducteur, simulateur de conduite, modélisation du traffic. Jean-Philippe.Tarel@lcpc.fr 6 3

4 Assistance à la conduite PERCEPTION DE L ENVIRONNEMENT Le mécanisme de l accident 90 à 95 % des accidents routiers sont causés par une erreur humaine 4

5 Phase 1 : détection Le conducteur reconnaît une situation comme accidentogène 1. Perception et identification... Phase 2 : interprétation Le conducteur évalue la situation et définit un comportement optimal 2. Analyse et diagnostic 5

6 Phase 3 : action Action pour éviter l accident (freinage ou changement de trajectoire) 3. Action La sécurité dans l automobile 6

7 Différents types de sécurité Conduite normale Incident Protection des occupants Alerte Secours Dispositifs de sécurité Sécurité passive 7

8 Dispositifs de sécurité Sécurité active (actuellement) : Problématique Aller plus loin dans la sécurité : anticiper pour prévenir les erreurs ou atténuer leurs conséquences État normal Prévention Alarme Accident inévitable Évitement possible Appel d urgence Véhicule accidenté Source : EUCAR Anticipation Se projeter dans le futur Percevoir la scène, comprendre et agir 8

9 Systèmes d avertissement Systèmes d assistance Intervention automatique Un continuum dans la sécurité active La projection à plus ou moins long terme conduit à différents modes d intervention : + + Exemple de systèmes ACC Stop&Go Aide au parking etc. Alerte sur sortie de voie «Blind spot» Vision augmentée etc. Freinage assisté etc. Arrêt sur obstacle Évitement d obstacle «collision mitigation» «Pre-crash» etc. 9

10 Les capteurs extéroceptifs dans l automobile Qu est-ce qu un capteur? Définition : Dispositif permettant de détecter, en vue de le représenter, un phénomène physique sous la forme d un signal («petit robert») Capteur proprioceptif : Capteur extéroceptif : 10

11 Capteur passif ou actif? Capteur passif : Diffusion atmosphérique Rayonnement solaire Réflexion Émission propre Capteur passif ou actif? Capteur actif : émission rétrodiffusion 11

12 Capteurs actifs Capteur SONAR Le terme SONAR : «SOund Navigation And Ranging» Idée de base : Émettre un son et mesurer le temps que l onde réfléchie met pour revenir de façon à estimer la distance à l objet rencontré (c est le principe utilisé par les chauves-souris, les cétacés, etc.) 20 Hz Hz : audible > Hz : ultrason Entre KHz dans l automobile 12

13 Principes L onde acoustique se réfléchi sur tout obstacle créant ainsi une onde de retour susceptible d être décelée par un récepteur adapté à ce signal. Horloge Déclenchement Émetteur Générateur de son Start / Reset Stop Détection Récepteur Filtre A Antenne Hz Informations possibles Détection : Écho présent Distance : d = ½*v*t C est du temps de vol (v = 343 m/s dans l air à 20 c) Classification frustre : Distinction entre objets larges (mur) et étroits (poteau) 13

14 Avantages / Inconvénients Avantages SONAR : Faible encombrement Faible coût Faible consommation Peu sensible aux salissures Robuste Information de distance directement disponible De nombreux équipementiers Inconvénients SONAR : Portée très réduite Distance d ambiguïté : L écho revient pendant ou après l impulsion suivante Faible précision (réflexions multiples, vitesse de propagation dépend de la température) Incertitude angulaire importante (lobe d ~ 15 d ouverture) Vitesse d utilisation très réduite (bruit aérodynamique) Non détection si angle d incidence faible sur une surface lisse Interférence possible Utilisations possibles Aide au parking pré-crash? Sonar BOSCH 14

15 Capteur RADAR Idée de base : Illuminer une portion d espace avec une onde électromagnétique et réceptionner les ondes réfléchies par les objets qui s y trouvent en vue de les détecter (et si possible en extraire des caractéristiques) Le terme RADAR : Mot de code de la marine Américaine en 1940 «RAdio Detection And Ranging» Principes L onde électromagnétique se réfléchi sur tout obstacle créant ainsi une onde de retour susceptible d être décelée par un récepteur adapté à ce signal. Modulateur Émetteur Synchronisation Duplexeur Onde Exploitation Récepteur Antenne 15

16 Informations possibles Détection : Écho présent Distance : d = ½*C*t si mesure du temps de vol (C = m/s) Astuce dans le domaine fréquentiel Vitesse radiale relative : V = -f d *l = -(f d /F)*C si analyse de fréquence Dérivée de la distance (après suivi) si mesure du temps de vol Angle : Orientation de l antenne (ou du faisceau) lors de la détection Quelques limites Un peu sensible à la pluie 77 GHz Faible couverture angulaire (en GHz) -> perte de cible Distance d ambiguïté : L écho revient pendant ou après l émission suivante RADAR Image RADAR Écho «fantôme» Glissièr e Trajet n 1 Écho résultant Trajet n 2 Fausses détections (mauvaise discrimination, objet en dehors de la chaussée) 16

17 Avantages / Inconvénients Avantages RADAR : Peu perturbé par les conditions atmosphériques Longue portée (jusqu à 200 m dans le domaine automobile) Peu sensible aux salissures Intégrable derrière le pare-chocs (pour certains) De nombreux équipementiers Inconvénients RADAR : Risque de conduite sans visibilité Faible discrimination entre objet Perception des phénomènes radiométriques impossible (localisation des lignes blanches) Manque de précision en localisation (échos «fantômes») Faible résolution angulaire (surtout en vertical) Faible couverture angulaire (dans le cas des longues portées) Pollution électromagnétique, risque d interférences avec d autres RADAR (codage pour pallier cela) Encombrant Coûteux Utilisations possibles Longues portées : ACC : Adaptative Cruise Control Stop & Go : Anti-collision Courtes portées (régulation automatique de distance) Aide au parking pré-déclenchement d airbag Insertion angle mort Radar Fujitsu «longue portée» Radar BOSCH «courte portée» 17

18 IR proche Capteur Laser Idée de base : Même que pour le RADAR, mais en visant une plus grande précision Le terme LASER : «Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation» Plage d utilisation du LASER Longueur d ondes (mètres) 1,4 x ,2 x ,8 x ,6 x ,4 x ,2 x 10-6 Principes du capteur LASER LASER Miroir 100% réfléchissant Cavité résonante Milieu actif Mécanisme d excitation Onde électromagnétique Miroir semitransparent Optique Émission /Réception Déflexion Traitement du signal Détecteur Filtre spectral Oscillateur local 18

19 Informations possibles Détection : Écho présent Distance : d = ½*C*t (C = m/s) Vitesse radiale relative : V = -f d *l = -(f d /F)*C (avec fd = F F : fréquence Doppler) Dérivée de la distance (après suivi) Angle : Orientation du faisceau laser Quelques limites Sensible au brouillard Faisceau très fin -> balayage 2D ou 3D Distance d ambiguïté (en pulsé) : L écho revient pendant ou après l impulsion suivante Perte de cible (assiette, pente, descente) Risque oculaire Fausses détections (objet en dehors de la chaussée) Mais très forte précision : ~ 1 cm (liée à la précision du compteur d intervalle de temps) LASER dans l automobile 19

20 Avantages / Inconvénients Avantages Télémètre laser : Portée jusqu à 150 m Très bonne précision longitudinale et angulaire Très forte résolution (détail de quelques dizaines de cm visible) Forte couverture angulaire (270 possible) en horizontal Faible perturbation par l environnement (largeur de bande utilisée très étroite) Inconvénients Télémètre laser : Perturbé par les conditions atmosphériques (brouillard, entre autres) Sensible aux salissures Pas de discrimination d objet (en général) Pas de localisation de la chaussée (à moins d avoir un marquage spécifique) Faible couverture angulaire en verticale (excepté pour les télémètres 3D) Technologie potentiellement dangereuse Encombrant Coûteux Utilisations possibles Actuellement : ACC : Adaptative Cruise Control Futur : Pré-déclenchement d airbag Aide au parking Angle mort Stop & Go Anti-collision IBEO Insertion à courte distance OMRON 20

21 Capteurs Passifs Vision Artificielle Capteur Vision 21

22 Principe Les cellules photosensibles (photosites) fonctionnent grâce à l effet photoélectrique : Certains matériaux, lorsqu'ils sont touchés par un photon lumineux, transforme l énergie lumineuse reçue en électricité (électrons). Le rendement quantique (photons->électrons) moyen est d ~30 % à 40 %, et dépend de la longueur d onde. Les électrons sont piégés par un potentiel d électrode pendant le temps d intégration Ti. Le nombre de photons reçus est lié à surface utile d intégration Si. sensibilité = f ( Ti, Si ) Électrons Photons Électrode V > 0 Isolant SiO2 Substrat Si dopé P Informations possibles Délivrées par le capteur vision Image(s) en niveaux de gris ou en couleur (3 canaux rouge, vert, bleu) 8 bits par canal (ou une paire d images en stéréovision spatiale). Résolution (exemple : 768 x 560 pixels). Fréquence d acquisition habituellement de 25 ou 30 Hz. Extraites des images De nombreuses informations possibles (détection, positionnement, vitesse, classification, reconnaissance, etc.) Nécessité de traitement des images acquises et donc mise en place d algorithmes pour extraire les informations pertinentes voulues. 22

23 Quelques limites Absorption : brouillard, pluie. La qualité de l image varie énormément avec les conditions de prise de vue qu on ne maîtrise pas: éclairage, contraste, état de la route, météo (intempéries, soleil). La précision dépend de la résolution. Traitement algorithmique lourd ; or dans le domaine des transports il faut être temps réel puissance de calcul importante requise. Utilisations possibles (1) LA LOCALISATION DE LA ROUTE Détection des marquages routiers et des bords de route. Suivi temporel des marquages et des bords de route. Détection d autres caractéristiques routières (ex. : intersections, profil ) 23

24 Utilisations possibles (2) LA DÉTECTION DES VÉHICULES/OBSTACLES Détection Suivi Caractérisation : taille, distance, vitesse, accélération. Calcul du temps à collision. Utilisations possibles (5) LA RECONNAISSANCE DES PANNEAUX, VEHICULES, PIETONS Identification des panneaux et du marquage horizontal Modèles de véhicules (VL, PL ) Reconnaissance des piétons 24

25 Utilisations possibles (5) DETECTION ET CARACTERISATION DES CONDITIONS DE VISIBILITE DEGRADEES Pluie, neige Brouillard (de jour, de nuit) Eblouissement Forts contrastes d illumination Restauration d images Résumé Avantages vision : Richesse des informations Détection des informations radiométriques (marquages routiers) Image 2D de la scène et 3D si stéréovision Faible coût et encombrement des capteurs Inconvénients vision : Traitements complexes et coûteux Faible précision à longue distance (taille des pixels) Qualité d image sensible aux conditions extérieures Faible sensibilité la nuit (nécessite au moins l éclairage des phares) Sensible au brouillard, à la pluie, etc. Sensible aux salissures 25

26 Conclusions Caractéristique principale de chaque technologie : La vision permet de percevoir les phénomènes radiométriques (marquage routier, par exemple) à moyenne portée (~ 100 m) Le SONAR permet de mesurer directement des distances à très courte portée (< 10 m) Le RADAR permet de mesurer directement des distances et/ou vitesses à longue portée (~ 200 m) Le LASER permet de mesurer directement des distances et/ou vitesses à longue portée (~ 150 m) avec une excellente résolution par temps clair La suite du cours sera fondée sur les caméras. Le spectre électromagnétique 26

27 Graphe des absorptions Clair : -20 Brouillard : ~ 200 m visibilité Pluie (moyenne) : ~ 10 mm/h Rappel : Décibel = 10*log(S/S 0 ) => -3 db correspond à une division par 2 du signal reçu 27

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