Développements de la robotique en environnement naturel

Le domaine d’évolution considéré dans cette thèse est au contraire l’ensemble des envi-ronnements non structurés, en se focalisant sur les applications en envienvi-ronnements naturels et ouverts. Dans ce cas, la surface d’évolution et donc les conditions d’adhérence seront variables. Ces conditions génèrent des perturbations importantes qui conduisent à la violation de l’hypothèse de roulement sans glissement posée précédemment. Or, les lois de commande sont souvent construites sur la base de cette hypothèse. Si elles s’avèrent capables de maintenir un asservissement robuste à de petites perturbations bornées et ponctuelles, la gestion de la navigation d’une formation de robots dans des conditions de faible adhérence avec ces lois de commande ne s’avère plus adaptée.

Pour s’en convaincre, on simule le parcours d’une trajectoire par une formation de 5 robots mobiles sur une surface présentant une faible adhérence. Le simulateur MatlabR utilisé, présenté en annexe B.1, émule le comportement réel de chaque robot d’après un modèle dynamique et le déplacement généré tient compte des conditions d’adhérence au contact roue-sol via un modèle de Pacejka (détaillé en page 44 et représentant ici le contact d’un pneu sur une terre humide). Les lois de commande utilisées pour le contrôle des véhicules sont celles présentées dans [TBMM04] et [BTMM05] dédiées à la gestion d’une flotte de véhicules autonomes urbains et basées sur un modèle cinématique d’évolution satisfaisant l’hypothèse de roulement sans glissement. Le résultat du suivi de la trajectoire en forme de S par la formation de 5 robots en configuration en aile est illustré en figure 1.7. Sur cette figure, les trajectoires en traits fins représentent les trajectoires théoriques désirées de chaque robot et les trajectoires en traits épais décrivent les trajectoires réelles des robots. On constate sur cette figure que, lorsque la trajectoire décrit une ligne droite (en particulier au début du parcours), les perturbations générées par les conditions d’adhérence sont faibles et la

Figure ^{1.7 – Trajectoires désirées et réelles des robots}

loi de commande parvient à maintenir les robots sur leur trajectoire désirée. En revanche, dès que la trajectoire des robots tourne, la faible adhérence à l’interaction roue-sol crée des glissements importants. L’évolution réelle des robots s’écarte alors de l’évolution théorique du fait du non-respect de l’hypothèse RSG. Ce phénomène n’étant pas pris en compte pour la commande des robots, ceux-ci s’écartent de la trajectoire désirée et la commande ne permet pas de combler cette erreur, tel qu’il est visible dans le second virage. Dans le premier virage, la forme de la formation désirée évolue, les véhicules doivent s’écarter latéralement de la trajectoire. On constate que la réponse réelle des robots ne suit pas cette variation d’écart consigne, elle prend du retard au début de la variation puis dans un second temps l’écart latéral varie en oscillant autour de la trajectoire désirée. Ce comportement est dû à la seconde hypothèse posée dans la modélisation pour la conception des lois de commande que les actionneurs des robots sont parfaits. Or la réponse des actionneurs des robots réels à une consigne présente un retard puis un comportement de montée vers la consigne. Ce comportement de réponse n’étant pas pris en compte, l’évolution des robots en réponse à une commande ne correspond pas au comportement idéal attendu, ce qui est particulièrement prégnant lorsque les consignes varient notablement.

L’automatisation des véhicules en dehors du domaine routier, pour évoluer sur des terrains quelconques, non carrossés, dans un environnement non maîtrisé et variable nécessite donc de prendre en compte les caractéristiques du terrain d’évolution car elles influent significativement

sur le mouvement réel du robot. En effet, sur ces terrains d’évolution, les faibles conditions d’adhérence impliquent que les véhicules enfreignent l’hypothèse de roulement sans glissement. Par conséquent, lors de l’évolution apparaissent des phénomènes de glissement (longitudinal) et de dérapage (glissement latéral) qui écartent le robot de sa trajectoire théorique. La connaissance de la grandeur de ces phénomènes, que ce soit par mesure, modélisation ou ou estimation, permet d’évaluer le mouvement réel du robot. La commande du véhicule doit alors être construite pour prendre en compte ces phénomènes afin de maintenir le mouvement réel du robot sur la trajectoire désirée.

Parmi les domaines applicatifs de la robotique en environnement non structuré, le domaine de l’exploration spatiale est certainement celui pour lequel la gestion de ces phénomènes perturbateurs est cruciale [ID00]. En effet, malgré leurs vitesses d’avance réduites, les robots d’exploration spatiale évoluent sur les surfaces irrégulières et peu anticipables des planètes avec la contrainte supplémentaire de communications réduites avec des délais significatifs, ce qui impose un degré d’autonomie des robots important. C’est le cas des robots d’exploration de la planète Mars développés par la NASA et présentés en figure 1.8. Ceux-ci présentent de larges roues pour augmenter l’adhérence et la motricité sur la surface déformable et accidentée du sol martien. On notera que ces robots évoluent et se propulsent grâce à leurs 6 roues mais

Figure ^{1.8 – Les trois générations de robots d’exploration martienne}

que leur structure cinématique présente une suspension passive (de type Rocker-Bogie) qui leur procure des capacités de franchissement d’obstacle étendues [HV04], ce qui les rapproche des robots hybrides « roues-pattes ».

Sur Terre, de tels robots autonomes naviguant en environnement non structuré sont aussi étudiés [BKA11] et sont envisagés pour de l’exploration (de zones difficiles d’accès [RPS+05] ou dévastées), de la cartographie [TTW+04], du transport de charges (pour l’approvisionne-ment de zones reculées ou dans le cadre d’applications militaires) [DFH03] ou encore de la surveillance de zones par la coopération de robots. Enfin, un secteur où l’automatisation est en pleine expansion et se déroule sur des terrains naturels est l’agriculture [Bla07][PFB07]. Il s’agit du secteur d’activité principal envisagé par ces travaux. Les raisons de l’intérêt du développement de véhicules autonomes ainsi que les solutions existantes sont détaillées dans la section suivante.