Développement d une nouvelle méthode de calibrage des Systèmes LiDAR Mobiles (SLM) en laboratoire

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1 Développement d une nouvelle méthode de calibrage des Systèmes LiDAR Mobiles (SLM) en laboratoire Michaël Landry, a.-g. Étudiant à la maîtrise Christian Larouche, Ph. D Directeur de recherche Colloque CIDCO 2017 Rimouski, Canada 10 mai 2017

2 Introduction Un SLM, c est quoi? Véhicule terrestre (voiture, camion, VTT, etc.) LiDAR + IMU + GNSS Figure 2.2 : VMX-1HA de Riegl Figure 2.1 : SLM personnalisé de l UQAR Figure 2.3 : MX2 de Trimble 2

3 Problématique 52 mm Détermination des bras de levier (lever arms) et des angles de visée (boresight angles) entre le LiDAR et l IMU par calibrage 117 mm 52 mm 244 mm 244 mm Figure 3.1 : Plan de conception du MX2 Dual Head (Trimble, 2013) Figure 3.2 : Plan de conception du MX2 Single Head (Trimble, 2013) 3

4 Problématique (suite) Calibrage in situ Extraction de plans dans le nuage de points Contrainte sur la normale des plans Figure 4.1 : Extraction d un plan d une façade de bâtiment pour le calibrage (Rieger et al., 2010) Limite : Intégration des observations GNSS bruitées qui nuisent au calibrage Causes : risques accrus de multitrajets, visibilité réduite des satellites, etc. 4

5 Hypothèse Calibrage in lab Développer une méthode de calibrage libre d erreurs de positionnement GNSS Utilisation de l interféromètre et du banc de calibrage pour remplacer les mesures de positionnement GNSS Figure 5.1 : SLM fixé au charriot mobile sur le banc de calibrage Figure 5.2 : Déplacements mesurés par l interféromètre sur le banc de calibrage 5

6 Objectifs Contexte : Avec la miniaturisation des capteurs et la démocratisation du LiDAR, on estime que la popularité de tels systèmes va augmenter dans les prochaines années et qu il devient intéressant de proposer de nouvelles méthodes de vérification et de calibrage des systèmes LiDAR mobiles en laboratoire. But : Développer une procédure de collecte et de traitement de données pour le calibrage d un SLM en laboratoire à partir des instruments et des infrastructures disponibles au laboratoire de métrologie de l Université Laval 6

7 Méthodologie Trois types d instrument sont utilisés Deux stations totales Un scanner LiDAR terrestre Un scanner LiDAR mobile Figure 7.1 : Deux stations totales Leica Flexline TS06 Figure 7.2 : Un scanner LiDAR FARO Focus X330 Figure 7.3 : Un scanner LiDAR Trimble MX2 Single Head 7

8 Méthodologie (suite) On cherche à déterminer les angles de visée avec une exactitude de 0,01 0,01 x 50 m = 1 cm 1 cm < erreurs GNSS Figure 8.1 : Représentation grossière de l impact d une erreur sur un angle de visée Utilisation de points de contrôle dont les coordonnées sont connues avec une précision de 1 mm ou moins 1 mm / 5 m = 0,01 5 m = ordre de grandeur de l éloignement des points de contrôle 8

9 Méthodologie (suite) Utilisation de la méthode de localisation par intersection spatiale vue dans le cours Métrologie et microgéodésie GMT-3000 Mire A Mire B Mire C Inst1 Inst2 Mire D Figure 9.1 : Position des mires et des stations totales dans le laboratoire 9

10 Méthodologie (suite) Positionnement des 18 points de contrôle 8 sphères de grand format (d = 198,8 mm) 10 sphères de moyen format (d = 139 mm) Localisation de seulement 4 sphères de référence à la station totale Figure 10.1 : Sphère sur embase Figure 10.2 : Pointe de jalon sur embase Figure 10.3 : 3 pointes de jalon avec adaptateur d embase 10

11 Méthodologie (suite) Deux balayages du laboratoire par le scanner terrestre à partir d endroits différents Figure 11.2 : Position des sphères vue de la station de scan numéro 1 Figure 11.1 laboratoire : Localisation des sphères dans le Figure 11.3 : Position des sphères vue de la station de scan numéro 2 11

12 Méthodologie (suite) Présentation des étapes nécessaires à l acquisition de données par le SLM sur le banc de calibrage 1. Déplacement du MX2 sur le banc de calibrage vis-à-vis une des sphères; 2. Immobilisation du MX2 sur le banc de calibrage; 3. Démarrage de la saisie de données par le MX2 d une durée approximative de 3 secondes; 4. Enregistrement du nuage de points sur le disque dur de l ordinateur; 5. Observation et enregistrement de la distance mesurée par l'interféromètre; 6. Répétition des étapes 1 à 5. Collecte de données du 16 mai 2016 : 365 lignes de scan Collecte de données du 22 décembre 2016 : 221 lignes de scan 12

13 Traitement des données Importation des fichiers transformées dans le logiciel Trident pour la visualisation et l extraction des sphères du nuage de points Figure 13.1 : Sélection des points de la sphère 12 Figure 13.3 : Visualisation du nuage de points assemblés par ligne de scan Figure 13.2 : Sélection des points de la sphère 16 13

14 Cadre mathématique Approche de compensation générale par moindres carrés Pondération des observations Estimation des paramètres et de leur précision Modèle fonctionnel formé par 2 équations Calcul du vecteur de fermeture, formation des matrices des dérivées partielles, formation de la matrice de variance et de covariance, etc. 14

15 Présentation des résultats Tableau 15.1 : Écarts par rapport aux sphères de référence avant le calibrage pour la collecte du 16 mai 2016 sans considérer l erreur de portée du laser X (m) Y (m) Z (m) 3D (m) Moyenne -0,0032 0,0023-0,0149 0,0264 Écart-type 0,0117 0,0089 0,0191 0,0097 Tableau 15.2 : Valeurs estimées des sept paramètres de correction et de leur précision pour la collecte du 16 mai 2016 Paramètres de correction Angle de visée Bras de levier Valeurs initiales Corrections à appliquer Valeurs finales Précision 180-0, ,847 0, ,289-0,289 0, ,078 0,078 0,006 0,000 m -0,0003 m -0,0003 m 0,0003 m -0,244 m 0,0054 m -0,2386 m 0,0002 m 0,052 m 0,0021 m 0,0541 m 0,0004 m Portée 0 m 0,0478 m 0,0478 m 0,0003 m Tableau 15.3 : Écarts par rapport aux sphères de référence après le calibrage pour la collecte du 16 mai 2016 X (m) Y (m) Z (m) 3D (m) Moyenne 0,0013 0,0010 0,0022 0,0120 Écart-type 0,0096 0,0034 0,0082 0,

16 Présentation des résultats (suite) Tableau 16.1 : Valeurs estimées des quatre paramètres de correction pour toutes les collectes de données Paramètre de correction 16 mai décembre 2016 Direction avant Direction avant Direction arrière Direction avant et arrière Lacet (heading) -0,104-0,075 0,100 0,024 Roulis (roll) -0,308-0,318-0,368-0,341 Tangage (pitch) 0,132 0,099-0,034-0,023 Portée 0,0482 m 0,0521 m 0,0493 m 0,0522 m Paramètres du 16 mai en direction avant Paramètres du 22 décembre en direction avant Paramètres du 22 décembre en direction avant Paramètres du 22 décembre en direction arrière 16

17 Conclusion Retour sur les objectifs Mise en place d une procédure de collecte et de traitement de données LiDAR en laboratoire Développement d algorithmes Matlab Développement d un modèle fonctionnel pour le calibrage qui est «flexible» Recommandations pour des travaux futurs Valider la qualité des paramètres de calibrage avec une collecte de données à l extérieur Tester la procédure de calibrage avec un autre SLM Automatisation de toutes les étapes du traitement des données Mise sur pied d un site permanent de calibrage Synchronisation du SLM et de l interféromètre pour une collecte de données en mouvement sur le banc de calibrage 17

18 Fin de la présentation Avez-vous des questions? 18

19 Annexe A Détermination des constantes initiales et de l erreur d alignement Figure A.2 : Trous percés sur mesure Figure A.1 : Plan de conception du MX2 Single Head (Trimble, 2013) Équations de positionnement X = Cx Y = Cy + Distance Z = Cz Figure A.3 : Localisation des trous de fixation pour le calcul des constantes initiales 19

20 Annexe B Enregistrement et géoréférencement des nuages de points LiDAR terrestre à partir des 18 sphères de contrôle et des 4 sphères de référence Assemblage des scans Moyenne des résiduelles de 1,0 mm Plus grande résiduelle de 1,9 mm Figure B.1 : Position des sphères vue de la station de scan numéro 1 Géoréférencement des scans Moyenne des résiduelles de 2,1 mm Plus grande résiduelle de 2,6 mm Figure B.2 : Position des sphères vue de la station de scan numéro 2 20

21 Annexe C Modification du fichier de positionnement.gps pour intégrer le nuage de points du SLM dans le système de coordonnées défini à l intérieur du laboratoire Tableau C.1: Liste des observations contenues dans le fichier de navigation devant faire l'objet de modifications Colonnes du fichier Éléments Description 5, 6 et 7 Latitude, longitude et hauteur 18 Lacet Précision des coordonnées 3D (X,Y,Z) du 27, 28 et 29 centre de l'mu 32 Précision du lacet 37 Ondulation du géoïde Coordonnées sur l'ellipsoïde du centre de l'imu déterminée avec les distances mesurées par l'interféromètre et les constantes initiales. Valeur du lacet (heading) déterminée à partir de l'erreur d'alignement des trous de fixation. Précision finale estimée des coordonnées 3D (X,Y,Z) du centre de l'mu. Précision de la valeur du lacet (heading) déterminée à partir de l'erreur d'alignement des trous de fixation. Ondulation du géoïde nulle selon la définition du système de coordonnées. 21

22 Annexe D Tableau D.1 : Écarts par rapport aux sphères de référence avant le calibrage pour la collecte du 16 mai 2016 No de la sphère X (m) Y (m) Z (m) 3D (m) 1-0,0494-0,0175 0,0387 0, ,0199 0,0014 0,0206 0, ,0368-0,0031-0,0035 0, ,0611-0,0146 0,0294 0, ,0567-0,0164 0,0407 0, ,0336 0,0046 0,0296 0, ,0534-0,0126 0,0420 0, ,0659-0,0121 0,0129 0, ,0461 0,0018-0,0119 0, ,0402 0,0085 0,0205 0, ,0515 0,0090 0,0059 0, ,0457-0,0032 0,0050 0, ,0355 0,0048 0,0132 0, ,0169 0,0068 0,0429 0, ,0161 0,0095 0,0481 0, ,0211-0,0002 0,0680 0, ,0364-0,0052 0,0464 0, ,0367-0,0048 0,0518 0,0637 Moyenne -0,0173-0,0024 0,0278 0,0543 Écart-type 0,0402 0,0091 0,0214 0,0133 Figure D.1 : Écart sur la sphère numéro 11 Figure D.2 : Écart sur la sphère numéro 16 22

23 Annexe E Tableau E.1 : Paramètres estimés dans les 2 directions pour la collecte du 22 décembre 2016 Angle de visée Bras de levier Paramètre Direction avant Direction arrière Valeur Précision Valeur Précision -0,066 0,004 0,069 0,005-0,359 0,006-0,255 0,006 0,106 0,009 0,045 0,011-0,0037 m 0,0003 m 0,0040 m 0,0003 m 0,0008 m 0,0002 m 0,0034 m 0,0003 m -0,0034 m 0,0004 m m 0,0004 m Portée 0,0505 m 0,0003 m 0,0497 m 0,0004 m Tableau E.2 : Écarts par rapport aux sphères de référence pour la solution à sept paramètres dans les deux directions Direction avant Direction arrière X (m) Y (m) Z (m) 3D (m) Moyenne 0,0007 0,0009 0,0032 0,0101 Écart-type 0,0080 0,0022 0,0062 0,0036 Moyenne 0,0017-0,0014-0,0026 0,0101 Écart-type 0,0085 0,0031 0,0054 0,

24 Annexe F Causes possibles d erreurs Surestimation de la précision des paramètres Erreurs liées à l installation du MX2 sur le banc de calibrage Erreurs de portée du LiDAR Précision réelle des observations de l IMU Impact réel des paramètres de calibrage sur les observations Autres erreurs non modélisées 24

25 Annexe G Diamètre du trou : 8,3 mm Diamètre de la vis : 6,0 mm Figure G.1 : Espace entre la vis et le trou de fixation Espace de 2,3 mm 2,3 mm x 33 cm = 0,4 33 cm Erreur très importante au niveau du lacet (heading) Figure G.2 : Plan de conception du MX2 Single Head (Trimble, 2013) 25

26 Annexe H Définition et matérialisation d un système de coordonnées Figure H.1 : Pièce métallique matérialisant l origine Figure H.3 déterminer : Constantes initiales à Figure H.2 : Mesures d orientation du banc de calibrage 26