1.3.1 Organisation du mémoire
Afin de répondre à la problématique du maintien de l’intégrité d’un robot mobile dans le cadre d’un suivi de trajectoire en milieu naturel, ce mémoire est organisé en trois parties :
– En premier lieu, le chapitre2rappelle certaines généralités sur les robots et leurs modé-lisations et permet de présenter les modèles qui seront utilisés dans la suite du mémoire pour la mise en place des lois de commande et observateurs. Ainsi, une modélisation cinématique, puis des représentations dynamiques du véhicule seront présentées. La question de la modélisation du contact pneu/sol sera également traitée dans ce cha-pitre.
– Dans un deuxième temps, les lois de commande permettant le suivi de trajectoires en milieux naturels, mises en place préalablement et qui seront utilisées au cours des travaux présentés dans la suite de cette thèse, seront rappelées brièvement dans le chapitre 3. De même, les observateurs nécessaires au bon fonctionnement de ces lois de commande seront également présentés. De plus dans cette partie, un nouvel obser-vateur, fondé sur une approche dynamique et permettant de s’affranchir de certaines limitations de l’observateur cinématique jusqu’alors utilisé, sera explicité.
– Pour finir, le maintien de l’intégrité du véhicule est traité dans les chapitres 4 et 5. Dans ces deux chapitres, qui traitent de différentes notions de l’intégrité du véhicule, l’approche employée sera sensiblement identique. Ainsi, après avoir présenté les phéno-mènes mettant en péril l’intégrité du véhicule et/ou de sa tâche et dégagé les variables à réguler pour répondre à ces problématiques, cette régulation sera effectuée par le biais
d’une modulation de la vitesse du véhicule. Cette loi de commande sur la vitesse sera, dans les deux cas, mise en place par le biais d’un algorithme permettant d’anticiper le comportement du véhicule. Ainsi, dans un premier temps, la notion de commandabi-lité du véhicule et son influence sur l’intégrité du véhicule et de l’application robotique seront présentées dans le chapitre 4, puis la problématique de la précision du suivi et de la garantie de celle-ci sera adressée dans le chapitre 5.
Dans chacune des parties de cette thèse, les développements théoriques présentés sont validés en deux temps. Dans un premier temps par le biais de résultats de simulation, puis par des résultats issus d’essais expérimentaux.
1.3.2 Contribution de la thèse
Les contributions des travaux de cette thèse au domaine de la robotique mobile, ayant fait l’objet ou non de valorisation scientifique, sont mises en valeur dans cette section.
a) Observation des glissements, à dynamique faible ou nulle, robuste aux défauts de trajectoire
Les travaux effectués sur les observateurs ont mis en exergue les limites des observateurs préexistants et notamment leur incapacité à être efficients lorsque la vitesse du véhicule diminue et se rapproche de zéro. De plus, les travaux jusqu’alors effectués sur l’observation des glissements latéraux, dans le cadre du suivi de trajectoire de robots non holonomes à deux trains directeurs, restaient dépendants de la trajectoire à suivre ce qui dans le cas d’un défaut de trajectoire, qui peut être dû à plusieurs facteurs (évitement d’un obstacle sur la trajectoire, trajectoire non admissible, perte de GPS, etc.), rend impossible l’observation et met donc en péril l’intégrité de l’application. Ainsi, afin de répondre à cette problématique une observation robuste dans le cadre de vitesses proches de zéro et indépendante de la trajectoire de référence a été proposée.
b) Maintien de la commandabilité du véhicule par rapport aux capacités des actionneurs
L’utilisation des lois de commande de suivi de trajectoire à haute vitesse est soumise à certaines limitations, et notamment aux limitations physiques du véhicule. En effet, avec l’augmentation de la vitesse, le robot peut se retrouver dans l’incapacité de suivre la tra-jectoire, car la limite physique au niveau de son angle de braquage est atteinte. Cette thèse apporte une réponse à cette problématique par la mise en place d’une stratégie de commande modulant la vitesse. Cela permet ainsi au véhicule de suivre la trajectoire à une vitesse considérée maximale compte tenu des limitations physiques des actionneurs, des conditions d’évolution actuelles du robot, ainsi que de la trajectoire à suivre. Ces travaux ont été pré-sentés en détail dans [BLT14]. L’originalité de ces travaux réside dans l’approche prédictive mise en place, ce qui permet de tenir compte de la réponse future du véhicule à la commande et aux évolutions des conditions d’adhérence.
c) Garantie de la précision du suivi de trajectoire
De même que pour le maintien de la commandabilité du véhicule, les travaux et solutions proposés pour la garantie de la précision du suivi de trajectoire, qui répondent à un besoin fort en robotique mobile, qui plus est en milieux encombrés (exemple d’une flotte de robot, du déplacement dans une exploitation arboricole, etc.), sont traités avec une approche prédictive,
et par le biais de la modulation de la vitesse du véhicule, ce qui en fait leur originalité. En effet, cette thèse propose la mise en place d’une loi de commande sur la vitesse permettant de réguler l’écart futur du véhicule. Ainsi, l’écart du véhicule le long du suivi de trajectoire est garanti puisque l’écart futur est assuré en dessous d’une valeur cible par le biais de la modulation de la vitesse longitudinale du véhicule.
Enfin, ces travaux apportent une contribution au domaine de la robotique mobile car ils mettent en avant la capacité de prédire correctement le comportement du robot mobile par le biais de l’utilisation d’un modèle dynamique simplifié. Même si l’étendue de l’horizon de prédiction demeure limitée, cette anticipation est utile vis-à-vis des problématiques à adresser en robotique mobile. Ainsi, cela permet d’envisager un certain nombre d’applications visant à préserver l’intégrité du véhicule ou à anticiper le comportement de celui-ci.
Modélisation du véhicule
2.1 Introduction
Afin de pouvoir établir une commande pour les robots mobiles en milieu naturel, il est nécessaire de pouvoir caractériser leurs mouvements, et donc de pouvoir s’appuyer sur un ou plusieurs modèles représentatifs de ceux-ci.
La difficulté pour le choix du ou des modèles à considérer dans le cas du déplacement en milieu naturel, où les paramètres de sols (adhérence, géométrie, obstacle. . . ) peuvent varier fortement et rapidement, réside dans la capacité à conserver un modèle représentatif, mais suffisamment simple pour pouvoir être utilisable du point de vue de la commande. Dans cette optique, on cherche à minimiser le nombre de capteurs et de paramètres. Cet objectif est particulièrement délicat en milieu naturel où, contrairement au cadre routier, les phénomènes dynamiques deviennent rapidement non négligeables à cause des faibles propriétés d’adhérence rencontrées. Ces difficultés sont d’autant plus importantes lorsque l’on cherche à évoluer à des vitesses importantes.
Il est donc nécessaire de se doter d’un, ou comme il va être présenté ici, de plusieurs modèles tenant compte des interactions spécifiques à l’évolution en milieu naturel, afin d’être capable d’appréhender finement le comportement du robot, permettant ainsi de mettre en place des lois de commande répondant correctement aux besoins de l’application. La stratégie adoptée pour la modélisation du robot présentée dans ce chapitre repose sur la volonté de garder des modèles pour la synthèse de lois de commande qui soient calculables en temps réel. Ainsi, chaque modélisation ne prend en compte les mouvements du véhicule que dans un plan donné. Cependant, la mise en place de plusieurs modélisations permet d’obtenir une représentation globale en 3 dimensions. Certaines de ces modélisations seront utilisées pour la mise en place de la commande des déplacements, alors que d’autres seront utiles pour caractériser et établir des actions permettant de garantir l’intégrité du véhicule.
Dans un premier temps, la modélisation classique en robotique (modèle bicyclette) sera rappelée. Puis, une présentation des principales représentations du contact pneu-sol que l’on peut rencontrer dans la littérature sera faite et le choix d’une modélisation pour notre cas d’étude sera présenté. Une modélisation cinématique dite étendue (rajout des dérives pneu-matiques) sera présentée. Cette partie est essentielle à l’application de suivi de trajectoire mais n’est pas suffisante pour tenir compte de tous les phénomènes physiques mis en jeu en situation réelle.
Aussi, dans l’optique de pouvoir caractériser plus précisément les mouvements du robot, ce qui permettra de traiter « au mieux » de l’intégrité du véhicule dans le cadre du suivi de trajectoire, des caractérisations dynamiques plus complètes du robot, mais également plus
complexes, seront présentées et leurs intérêts discutés.