Etude bibliographique sur la robotique mobile et la technologie des capteurs utilisés:

1.1- Généralité sur le robot mobile: [28,29]

Le robot est un appareil automatique capable de manipuler des objets, ou d’exécuter des opérations selon un programme fixe ou modifiable. En fait, l’image que chacun se fait d’un robot est généralement vague, souvent un robot est défini comme un manipulateur automatique à cycles programmables. Pour «mériter» le nom de robot, un système doit posséder les propriétés caractéristiques suivantes : - La flexibilité : Un robot doit avoir la capacité de pouvoir exécuter une variété de tâches, ou une même tâche de différente manière.

- L’auto-adaptabilité : Un robot doit pouvoir s’adapter à un environnement changeant au cours de l’exécution de ses tâches.

La robotique mobile est un domaine de recherche très varié qui possède de nombreuses applications potentielles. Afin de réaliser des tâches dans le cadre d’une de ces applications, un robot doit posséder la capacité de naviguer dans son envi- ronnement. Un des problèmes clés de la robotique est la capacité d’un robot de pou- voir naviguer dans son environnement. En utilisant l’information perçue par ses cap- teurs, un robot doit intégrer toutes les fonctions nécessaires pour qu’il puisse exécu- ter des déplacements dans un environnement donné.

Il existe plusieurs approches pour résoudre la tâche de la navigation, parmi ces approches, les plus connues et utilisées sont fondées sur la construction d’un mo- dèle à partir de l’information sensorielle, le robot utilisera ainsi ce modèle pour exécu- ter des mouvements requis par une tâche de plus haut niveau.

Le problème de la navigation peut donc être décomposé en plusieurs tâches, comme la planification de trajectoires et l’évitement d’obstacles. La partie principale de la navigation qui nous intéresse dans le cadre de ce travail est la localisation au- tomatique du robot dans son environnement.

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Le modèle conventionnel du robot peut être représenté de différentes manières et à différents niveaux. Les propriétés du modèle dépendent principalement de la tâche à réaliser par le robot, du type d’environnement et aussi de la résolution et du champ de vue des capteurs montés sur le robot. Entre tous les capteurs possibles dont un robot mobile peut disposer, nous citons par exemple les capteurs ultrasons, les télémètres laser, les odomètres etc. Ce sont les capteurs de vision et les caméras qui fournissent au robot le plus d’informations sur son environnement. La vision est choisie comme capteur privilégié du fait de la richesse de l’information perçue : réso- lution, information aussi bien géométrique que radiométrique (luminance, couleur) … La richesse de l’information visuelle rend possible une interprétation contextuelle du contenu des images. Cette dernière, fondée sur des modèles d’entités susceptibles d’être reconnues, est indispensable lors de la navigation dans un environnement donné. Dans le contexte de la conduite automobile par exemple, la reconnaissance des feux ou des panneaux de signalisation est indispensable.

1.2- Localisation des robots mobiles : 1.2.1- Introduction :

La localisation consiste à retrouver tous les degrés de liberté du robot, en particu- lier, la position du robot, c’est-à-dire les coordonnées de son centre d’inertie ainsi que son orientation. Ce problème peut être vu comme un cas particulier de la naviga- tion qui cherche à estimer la position, l’orientation et la vitesse du robot. La naviga- tion étant elle même une particularité de la technologie utilisée dans le robot. Dans le présent chapitre, nous allons traiter deux technologies différentes, la pre- mière consiste à utiliser le capteur "Filtrage de Kalman Etendu" (EKF), la deuxième consiste à fusionner entre EKF, le télémètre laser et la caméra.

1.2.2- Localisation passive :

La localisation passive consiste à faire passer un objet doté d’une étiquette de- vant un lecteur situé dans des enceintes délimitées ou confinées : gare, aérogare, centre commercial, zone d’activité, campus. L’implantation de plusieurs lecteurs, voir le quadrillage organisé de ces enceintes, permet de :

- Localiser à tout instant, tout objet ou porteur de radio-étiquette à l’intérieur d’une sous zone donnée,

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- Identifier un objet porteur de radio-étiquette chaque fois qu’il passe à proximité d’un lecteur et suivre ainsi ses déplacements à l’intérieur de l’enceinte.

1.2.3- Localisation active :

L’objet doté d’une radio-étiquette peut également être doté d’un GPS et d’un émetteur radio. La localisation dans ce cas n’a plus de limites spatiales et peut se faire en n’importe quel point de l’espace.

1.3- Technologie des capteurs utilisés dans le domaine de la robotique : 1.3.1- Définition :

Le mot "capteur" désigne généralement un dispositif qui transforme une grandeur physique en signal électrique exploitable. Selon les applications, on lui donne le nom de transducteur, jauge, détecteur, sonde, ou des termes plus spéci- fiques en relation avec la grandeur physique mesurée. Les termes «actifs» et «pas- sifs sont utilisés de deux façons différentes : Un capteur est dit "actif" s’il possède à la fois un émetteur et un récepteur (un sonar par exemple), il est dit "passif" s’il gé- nère une tension (une photodiode par exemple). Un capteur est dit "intelligent" s’il possède un micro-processeur capable d’analyser le signal et le conditionner pour le transmettre via un protocole de communication.

Les robots sont équipés de nombreux capteurs permettant de les localiser. Nous présenterons ci-dessous quelques-uns que nous avons utilisés dans ce travail. 1.3.2- Technologie des capteurs :

1.3.2.1 Odométrie :

Les odomètres permettent de déterminer la position et le cap (x,y,θ) (voir figure 6.1) d’un véhicule on intégrant les déplacements mesurés des roues sur un sol plan. La mesure de la rotation des roues est effectuée dans la plupart des cas par des codeurs optiques montés sur l’axe de rotation des roues (voir figure 6.2 ).

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Figure 6.1 : Principe de l’odométrie Figure 6.2 : Roue codeuse pour mesurer la rotation d’une roue.

1.3.2.2 - Accéléromètres :

Ces capteurs proprioceptifs fournissent une mesure de l’accélération linéaire ins- tantanée. Le principe d’un accéléromètre unidirectionnel est illustré sur la figure 6.3 ci-dessous.

Généralement, trois accéléromètres sont utilisés par le robot, cependant vu l’accélération de la pesanteur, la valeur mesurée selon l’axe vertical doit être com- pensée.

Figure 6.3 : Accéléromètres : principe et composants électroniques.

Le principe de tous les accéléromètres est basé sur la loi fondamentale de la dyna- mique :

F

_ext

M

avec (

F

extt : forces extérieures appliquées au centre de masse du système, M :

masse du système et : accélération instantanée ).

Il consiste en l'égalité entre la force d'inertie de la masse sismique du capteur et une force de rappel appliquée à cette masse. On distingue deux grandes familles d'accé-

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léromètres : les accéléromètres non asservis et les accéléromètres à asservisse- ment.

Accéléromètres non asservis :

Sur les capteurs de type non asservis (boucle ouverte), l'accélération est mesurée par son image « directe » : le déplacement de la masse sismique (masse d'effort ou encore masse d'épreuve) du capteur pour atteindre l'égalité entre la force de rappel et sa force d'inertie.

Accéléromètres à asservissement :

Pour les accéléromètres à asservissement, l'accélération est mesurée à la sortie d'une boucle à contre-réaction (asservissement) comportant un correcteur type P.I. (Proportionnel Intégral) permettant d’améliorer la précision.

Un capteur de détection de déplacements (type non asservis) permet la mesure de l'accélération instantanée. Cette valeur est prise comme valeur d'entrée de notre boucle d'asservissement. En sortie de cette boucle, l'accélération est obtenue par la correction de à la force de rappel nécessaire permettant le retour de la masse sis- mique à sa position initiale.

1.3.2.3- Radar sonore :

Le robot émet des ondes électromagnétiques ou ultrasons. Il en récupère l’écho et reconstruit une image qu’il interprète afin de cartographier son environnement. Le radar est principalement utilisé pour les robots de surface ou volant. Le sonar est utilisé comme télémètre à faible coût pour les robots roulants et pour la robotique sous-marine.

Figure 6.4 : capteur sonore. 1.3.2.4 -Télémètre laser :

Les télémètres (figure 6.5) les plus utilisés à l’heure actuelle pour des applications de cartographie et de localisation sont les télémètres laser à balayage. Ils utilisent un

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faisceau laser mis en rotation afin de balayer un plan, généralement horizontal, per- mettant de mesurer la distance, par rapport au robot, des objets qui coupent ce plan. Cette mesure peut être réalisée selon différentes techniques, soit en mesurant le temps de vol d’une impulsion laser, soit par triangulation. Les télémètres courants ont une bonne résolution angulaire car ils permettent d’obtenir une mesure de distance (figure 6.6) tout les demi-degrés, sur une zone de 0 à 180 ou de 0 à 360 degrés se- lon les modèles.

Ces télémètres sont très utilisés en environnement intérieur car ils fournissent des données abondantes et précises sur la position des objets se trouvant dans leur en- vironnement tels que les murs. Ils ont toutefois un certain nombre d’inconvénients, en particulier :

- Leur zone de perception est restreinte à un plan et ne permet pas de détecter les obstacles situés hors de ce plan.

- Ils ne peuvent pas détecter les objets ne réfléchissant pas correctement le rayon- nement laser (vitres transparentes, objets très réfléchissants tels que les objets chromés).

Afin de limiter ces inconvénients, il est possible d’utiliser les télémètres en conjonc- tion avec des capteurs à ultrason qui ont un champ de détection plus large et qui peuvent détecter les vitres.

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Figure 6.6 : Principe de mesure de distance par télémètre laser. 1.3.2.5 - Capteur RFID :

La radio identification plus souvent désignée par le sigle RFID (Radio Frequen- cy Identification) est une méthode pour mémoriser et récupérer des données à dis- tance en utilisant des marqueurs appelés "radio étiquettes" (« RFID tag » ou « RFID transpondeur »). Les radios étiquettes sont de petits objets, tels que des étiquettes autoadhésives qui peuvent être collées ou incorporées dans des objets ou produits et même implantés dans des organismes vivants (animaux, corps humain).

Les radios étiquettes comprennent une antenne associée à une puce électro- nique qui leur permet de recevoir et de répondre aux requêtes radio émises depuis l’émetteur-récepteur. Ces puces électroniques contiennent un identifiant et éventuel- lement des données complémentaires.

Figure 6.7 : Système de détection de capteurs RFID sans puce.

Figure 6.8 : Principe de fonctionnement d’un capteur RFID sans puce.

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Permet l’identification d’un objet, le suivi de son cheminement et la connaissance de ses caractéristiques à distance grâce à une étiquette émettant des ondes radio, atta- chée ou incorporée à l’objet.

1.3.2.7. Descripteur global GIST :

Le descripteur GIST est une caractéristique globale qui tente d’imiter le système de perception humain pour identifier rapidement les principales régions de couleur et de texture dans une image.

1.3.2.8- Caméra :

Les caméras fournissent des informations très riches sur le monde extérieur au sys- tème mobile. En effet, en appliquant divers algorithmes de traitement d’images, il est possible d’extraire des éléments caractéristiques de l’environnement. Les caméras sont aujourd’hui des capteurs bon marché, économiques en énergie et à bas prix, elles sont capables de restituer une image sensorielle du milieu le plus proche de celui perçu par les humains.

2- Détection d’obstacle :

Dans le document Contribution aux méthodes de détection des fissures et des obstacles dans les conduites d’eau potable du réseau urbain (Page 83-90)