Planification interactive de trajectoire

Il existe dans la littérature différents planificateurs de trajectoire dit interactifs permettant à un planificateur automatique et un opérateur humain de collaborer pour définir une trajec- toire. Parmi ceux-ci, certains proposent de faire intervenir l’opérateur humain et le planificateur automatique de trajectoire dans deux étapes successives distinctes. D’autres proposent une in- teraction continue entre l’opérateur humain et le planificateur automatique.

Dans cet état de l’art, après avoir introduit le fonctionnement des planificateurs interactifs de trajectoire en deux phases dans la section 4.1.1.1, nous allons nous intéresser aux planificateurs de trajectoire mettant en œuvre une interaction continue tout au long de l’exécution d’une tâche. Nous allons particulièrement nous intéresser à trois planificateurs interactifs de trajectoire per- mettant de traiter une tâche complexe (6 ddl ou plus). Leur fonctionnement et la manière dont ils permettent à un planificateur automatique de trajectoire et un opérateur humain de collaborer sont détaillés dans la section 4.1.1.2.

4.1.1.1 Planification interactive de trajectoire en deux phases

Lorsque la planification interactive de trajectoire est réalisée en deux phases dédiées chacune à une des entités en interaction, deux solutions se présentent :

L’opérateur intervient en premier : par exemple, dans un premier temps, l’opérateur défi- nit des points de passage avant qu’un algorithme probabiliste les interconnecte [He 09]. L’opérateur peut aussi définir toute une trajectoire comprenant des interpénétrations avec les obstacles avant que des techniques de reconstruction locale soit mises en œuvre pour redéfinir les portions de trajectoire en collision [Bayazit 01, Yan 13].

La planificateur automatique de trajectoire intervient en premier : le planificateur de tra- jectoire définit alors une trajectoire utilisée pour assister, guider l’opérateur qui peut in- fléchir la trajectoire calculée en s’en écartant [Vázquez 07].

4.1.1.2 Planification de trajectoire et interaction continue

Lorsque la requête de planification est simple (petit nombre de ddl), le planificateur auto- matique de trajectoire peut re-planifier une trajectoire en temps réel de manière à intégrer les manipulations faites par l’opérateur dans la trajectoire planifiée [Patil 10]. Cependant, dans les travaux présentés dans ce mémoire, l’objectif est de définir la trajectoire d’un objet virtuel dans un environnement encombré dans une application de RV. La planification d’une telle trajectoire 6D est une tâche trop complexe pour une telle interaction continue.

Dans la littérature, très peu de travaux proposent une interaction continue entre planifica- teur automatique de trajectoire et opérateur humain pour une telle tâche. Nous allons ici décrire en détail ceux de Ladevèze [Ladevèze 10a] et de Flavigné [Flavigné 10a] évoqués dans la sec- tion 1.2.1. Ces travaux ont abouti au développement de trois planificateurs interactifs de tra- jectoire pour lesquels les modes d’interaction diffèrent. Pour rappel, on trouve, développés par

Planification interactive de trajectoire en Réalité Virtuelle

Ladevèze, un planificateur local et un planificateur probabiliste avec approche globale utilisés pour des simulations d’assemblage de systèmes industriels en RV ; et, développé par Flavigné, un algorithme IRRT permettant à un opérateur d’indiquer la direction d’exploration d’une tech- nique probabiliste avec approche locale.

Le planificateur local Le planificateur local de Ladevèze utilise la configuration objectif pour déterminer une force attractive. L’interpolation linéaire entre la configuration courante et la configuration objectif permet de définir la direction de cette force sans tenir compte des obs- tacles présents dans l’environnement. Cette force attractive est ensuite communiquée à l’opéra- teur en immersion dans une simulation de RV pour l’aider à réaliser la tâche d’assemblage en le guidant par l’intermédiaire d’une interface haptique.

Ainsi, c’est l’opérateur qui doit prendre en compte les obstacles présents dans l’environne- ment pour les éviter grâce au retour visuel et haptique (simulation du contact). Il lui revient donc de s’écarter de l’assistance proposée pour contourner les obstacles, la direction de l’assistance étant, elle, re-générée en temps réel. La trajectoire d’assemblage est donc obtenue de manière collaborative.

Ce planificateur interactif a le grand avantage de pouvoir en toutes circonstances fournir une assistance à l’utilisateur. En contrepartie, pour des environnements complexes, l’assistance pro- posée peut être contre-productive. En effet, dans des cas comme l’exploration d’un labyrinthe où certaines portions du chemin demandent de s’éloigner de l’objectif, l’assistance proposée gène la manipulation en s’opposant au mouvement.

Le planificateur probabiliste avec approche globale Le planificateur de trajectoire proba- biliste avec approche globale proposé par Ladevèze (figure 4.1) s’appuie sur une décomposition octree de l’espace libre 3D en plus de la modélisation des corps rigides de l’environnement pour répondre à une requête de planification (figure 4.1(a)). Le processus de planification est composé de deux phases. Dans la première phase, un algorithme A* est utilisé pour parcourir l’octree et déterminer un "tunnel" 3D (suite de cellules de l’octree connexes) entre les positions des configurations de départ et objectif (figure 4.1(b)). Ce tunnel 3D est utilisé dans la seconde phase pour contraindre l’exploration 6D de l’environnement 3D par un algorithme probabiliste RDT (figure 4.1(c)).

La trajectoire obtenue est alors utilisée pour guider l’utilisateur à l’aide d’une interface haptique. Ce guidage se fait le long de la trajectoire dans une "zone de suivi", et vers la tra- jectoire hors de cette zone. Lorsque l’utilisateur s’éloigne davantage de la trajectoire calculée, l’ensemble du processus A*/RDT est relancé depuis la configuration courante pour définir une nouvelle trajectoire qui sera utilisée pour guider l’utilisateur. La trajectoire finale est ainsi pla- nifiée interactivement.

Ce planificateur permet de fournir une assistance particulièrement pertinente pour l’assem- blage puisque le guidage proposé est défini à partir d’une trajectoire effectivement réalisable. Par contre, il devient inopérant lorsqu’aucune trajectoire ne peut être définie par le planificateur de trajectoire (résolution de l’octree trop faible) ou lorsqu’il y a impossibilité de définir une

Planification interactive et partage de contrôle trajectoire 6D dans le "tunnel" défini par l’algorithme A*.112 CHAPITRE 4. PLANIFICATION INTERACTIVE DE TRAJECTOIRE

(a) Scène de test très simple, composée d’un seul obstacle (b) Visualisation du volume servant de limitation à la mé- thode de jet de la méthode RDT

(c) Visualisation du démarrage de la méthode RDT par l’af-

fichage des arbres de di↵usion (d) Visualisation de la progression de la méthode RDT

(e) Visualisation du chemin solution calculée

Figure 4.12 – Informations visuelles transmises par le planificateur à l’utilisateur

(a) Requête de planification

112 CHAPITRE 4. PLANIFICATION INTERACTIVE DE TRAJECTOIRE

(a) Scène de test très simple, composée d’un seul obstacle (b) Visualisation du volume servant de limitation à la mé- thode de jet de la méthode RDT

(c) Visualisation du démarrage de la méthode RDT par l’af-

fichage des arbres de di↵usion (d) Visualisation de la progression de la méthode RDT

(e) Visualisation du chemin solution calculée

Figure 4.12 – Informations visuelles transmises par le planificateur à l’utilisateur (b) tunnel 3D obtenu avec l’algorithme A* sur l’octree

112 CHAPITRE 4. PLANIFICATION INTERACTIVE DE TRAJECTOIRE

(a) Scène de test très simple, composée d’un seul obstacle (b) Visualisation du volume servant de limitation à la mé-

thode de jet de la méthode RDT

(c) Visualisation du démarrage de la méthode RDT par l’af-

fichage des arbres de di↵usion (d) Visualisation de la progression de la méthode RDT

(e) Visualisation du chemin solution calculée

Figure 4.12 – Informations visuelles transmises par le planificateur à l’utilisateur(c) trajectoire obtenue avec

l’algorithme RDT

Figure 4.1 – Planificateur probabiliste avec approche globale de Ladevèze [Ladevèze 10a]

L’IRRT L’IRRT proposé par Flavigné [Flavigné 10a] permet à l’utilisateur d’influencer la propagation d’un algorithme RRT. Pour cela, le planificateur de trajectoire et l’utilisateur échangent des pseudo forces qui sont utilisées pour contraindre le jet aléatoire de l’algorithme RRT (figure 4.2).

Une première pseudo force Faest calculée par le planificateur automatique de trajectoire à

partir des nœuds de l’arbre RRT courant et de leur proximité aux obstacles. Cette pseudo force vise à orienter le jet des prochaines configurations pour permettre à l’arbre RRT de se déployer

loin des obstacles. Une seconde force Fuest transmise par l’utilisateur. Une force résultante Fr

est, elle, calculée comme la somme pondérée des deux forces précédentes (équation 4.1).

Fr = αFu+(1 − α)Fa (4.1)

Figure 4.2 – RRT interactif proposé par Flavigné [Flavigné 10a]

La force Frainsi générée est utilisée pour définir une ellipsoïde dans laquelle est contraint

le jet aléatoire de l’algorithme RRT comme illustré par la figure 4.2

Le choix du paramètre α est donc critique pour cet algorithme. En effet, le choix de ce paramètre peut amener l’algorithme à se comporter comme un algorithme RRT classique dont l’exploration est contrôlée par le développement préalable (α = 0) ou comme un suivi de cible (α = 1).

Planification interactive de trajectoire en Réalité Virtuelle

4.1.1.3 Synthèse de l’état de l’art de la planification interactive

On trouve donc dans la littérature deux formes de planificateurs interactifs de trajectoire. La première fait intervenir successivement, dans un ordre ou dans l’autre, l’opérateur hu- main et le planificateur automatique. Dans ce cas, la première phase réalisée par la première des deux entités constitue un pré-traitement facilitant les opérations de la seconde entité lors de la seconde phase.

La seconde forme de planificateurs interactifs de trajectoire fait collaborer l’opérateur hu- main et le planificateur automatique de trajectoire de manière continue. De tels planificateurs interactifs sont rares pour des problèmes complexes (ayant un grand nombre de ddl).

Les trois planificateurs interactifs dont nous avons détaillé le fonctionnement ne traitent qu’avec des modèles géométriques de l’environnement. Ils mettent différemment en œuvre l’uti- lisateur immergé. Ladevèze propose de considérer ces planificateurs interactifs vis-à-vis de la charge cognitive qu’ils impliquent pour l’utilisateur, et de la charge de calcul pour le système automatique (figure 4.3) [Ladevèze 10a].

C h ar ge de c alc u l du plan if ic at eu r

Charge cognitive pour l'utilisateur

Planific ation automa tique Plan ificati on pr obabili ste avec appr oche globale (Plan ificateu r tem ps réel) Plan ificati on pr obabili ste guidée par l'o pérateu r (IRRT ) Plan ificati on lo cale Pas de planifi cation

Figure 4.3 – Charge de calcul vs charge cognitive pour les différents planificateurs interactifs proposé par [Ladevèze 10a].

Ces trois planificateurs interactifs de trajectoire répondent à des besoins différents. L’un ou l’autre de ces planificateurs devrait donc être mis en œuvre en fonction de la tâche à réaliser. Par exemple, pour des environnements virtuels complexes, difficiles à appréhender, il convient de diminuer la charge cognitive de l’opérateur et donc d’utiliser le Planificateur probabiliste avec approche globale. À l’inverse, le Planificateur local est tout à fait efficace dans des environne- ments dégagés. L’IRRT constitue lui une solution intermédiaire.

Cependant, si ces planificateurs répondent à des besoins différents, aucune méthode n’est proposée pour déterminer lequel est le mieux adapté à une tâche donnée. De plus, on peut aussi considérer que pour une même tâche, différents planificateurs interactifs devraient être mis en œuvre pour différentes portions de la trajectoire. Par exemple, pour l’assemblage de systèmes industriels, les premières portions de trajectoire à l’extérieur du système se font dans un espace dégagé, alors que les dernières se font dans un espace beaucoup plus encombré.

Planification interactive et partage de contrôle