Synchronisation et positionnement simultanés d'un réseau ultra-large bande et applications en robotique mobile

Il est essentiel pour les robots mobiles de pouvoir se localiser précisément dans leur environ-nement. Pour créer des estimateurs de position précis, il est nécessaire de disposer de mesures externes au robot, l'exemple le plus populaire étant les mesures GPS. Pour des applications en intérieur, nous ne pouvons raisonnablement pas utiliser des mesures satellitaires, pour des raisons de précision et de réception du signal. Dans ce mémoire, nous nous intéressons à la technologie radio UWB (Ultra Wide Band, c'est-à-dire Ultra-Large Bande), permettant de mesurer des distances entre agents dans un espace rapproché avec une précision de l'ordre de la dizaine de centimètres. Les techniques de localisation TOF utilisent le temps de vol (Time Of Flight) des ondes afin de mesurer les distances, en supposant que leur vitesse, uniforme, est celle de la lumière dans le vide. La mesure de distance est donc obtenue en multipliant le TOF par cette cette dernière. Pour cette raison, il est nécessaire d'obtenir une mesure de TOF avec une haute précision, typiquement de l'ordre de la nanoseconde. Cette contrainte est à respecter pour créer des estimateurs de position précis, afin d'estimer de manière adéquate le phénomène de dérive des horloges des divers agents du réseau. Des techniques, dites de Two Way Ranging (TWR), font une compensation par soustraction de cette dérive, faisant émettre des messages aux agents présents sur les robots, appelés les «tags» et des balises à position fixes connues appelées «ancres». En vertu de cette compen-sation, ces techniques ne nécessitent pas la mise en œuvre d'algorithmes de synchronisation pour les tags. Toutefois, elles ne permettent la localisation que d'un nombre restreint de robots, en raison du fait que les tags émettent de l'information. Motivés par les applications de systèmes multi-robots, nous élaborons dans de ce mémoire un protocole où les tags ne seront que récepteurs afin de pouvoir en localiser un plus grand nombre. Ceci nécessite une synchronisation précise des horloges du réseau d'ancres. Notre principale contribution est d'intégrer simultanément la synchronisation des ancres et l'esti-mation de position des tags dans un protocole basé sur des estimateurs de Kalman. Nous évaluons expérimentalement la performance de notre protocole dans des implémenta-tions de ce dernier qui utilisent des microcontrôleurs, capteurs, robots et logiciels populaires en robotique. Nous abordons aussi des développements dans le rejet de valeurs erratiques sur les mesures pourvues par les agents UWB. Notre protocole est également intégré dans des estimateurs utilisant des techniques de fusion de données de capteurs.

Abstract

Mobile robots require accurate real-time location estimates to operate. These estimates use external measurements, obtained for example from Global Navigation Satellite Systems (GNSS), to correct integration errors from proprioceptive sensors. This master's thesis fo-cuses on short-range Ultra-Wide Band (UWB) radios as a source of external range mea-surements, which can be used to provide centimeter-level positioning accuracy in indoor environments, where GNSS signals are generally unavailable. UWB-aided positioning systems most commonly rely on pseudorange measurements obtained by multiplying the speed of light by the Time-of-Flight (ToF) of messages transmitted be-tween UWB nodes with known positions, called anchors, and UWB nodes to localize, called tags. To achieve the localization accuracy desired for indoor applications, errors in ToF mea-surements need to remain below the nanosecond. The main challenge in achieving this level of accuracy comes from the fact that internal clocks at di˙erent nodes are not synchronized. Simple two-way ranging protocols can provide ToF measurements without synchronizing the nodes, but require the tags to transmit messages to the limited number of anchors and as a result do not support more than a few tags. Hence, motivated by applications requiring the deployment of multi-robot systems, we focus on one-way ranging protocols with the tags operating as passive receivers, which however requires synchronized anchors. The main con-tribution of this thesis is to design a protocol based on Kalman filtering to simultaneously synchronize UWB nodes and obtain ToF measurements between active anchors and passive tags. The modeling and rejection of outliers in these measurements is discussed in details in order to improve the robustness and performance of the proposed algorithm. The pseu-dorange measurements are also fused with other sensor measurements to design UWB-aided integrated navigation systems. Our algorithms are implemented on a custom embedded platform combining a commercial o˙-the-shelf micro-controller and UWB radio with inertial sensors, and interfaced with a standard software framework for robotics. We characterize the localization performance achievable in practice through several indoor experiments with ground robots.