Le projet de recherche NaviMeles a été initié par le DEPE en collaboration avec le
CReSTIC26 de l’URCA27. L’équipe Automatique du CReSTIC travaille particulièrement sur
la modélisation, commande et observation (estimation) des systèmes complexes (Saadaoui et al., 2006 ; Hamdi et al., 2009) avec des applications en systèmes embarqués et génie biomédical (Manamanni et al., 2005 ; Seddiki et al,. 2010).
D’autres partenaires sont associés à ce projet tels que, le 2C2A-CERFE28
et le
GEPMA29, pour capturer les animaux et réaliser les essais sur le terrain et une entreprise
alsacienne CMR-SMR30 qui développe et produit des systèmes de test, de mesure et
d’inspection dans des conduites industrielles par des vecteurs spécialisés. Cette entreprise s’intéresse donc aux travaux développés dans ce travail pour d’autres applications telle que la reconstitution spatiale du déplacement de leur vecteur spécialisé. Le financement de ce projet est assuré par les régions Alsace et Champagne Ardenne.
2.3.2. Objectifs du projet
L’objectif final de ce projet consiste à concevoir un microsystème embarqué de navigation à l’estime permettant de résoudre principalement les trois problématiques liées suivantes (Figure 2.5) (Fourati et al., 2008a) :
La reconstitution des postures ou des orientations spatiales 3D (attitude) de l’animal (et de l’homme ou de tout mobile manufacturé).
La reconstitution du travail locomoteur et des dépenses énergétiques de l’animal au cours de ses activités quotidiennes, ou de l’homme.
Le calcul des déplacements ou positions (relatifs, absolus, allures) de l’animal dans l’espace 3D (et de l’homme ou de tout mobile manufacturé).
L’implication de médecins ou d’industriels au projet est liée au fait que tout progrès dans les domaines de la reconstitution des attitudes, déplacements ou dépenses locomotrices présente des possibilités importantes d’applications. Par exemple l’assistance au déplacement pour les malvoyants, les drones (volants ou hypogés), la recherche médicale dans le domaine de l’obésité (monitoring déambulatoire de patients obèses), etc.
26 CReSTIC : Centre de recherche en Sciences et Technologies de l’Information et de la Communication
27 URCA : Université de Reims Champagne Ardenne
28 2C2A-CERFE : Centre de Recherche et de Formation en Eco-éthologie de la Communauté de
Communes de l’Argonne Ardennaise
29 GEPMA : Groupe d’Etude et de Protection des Mammifères d’Alsace
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Attitude exacte Accélérations propres
Vitesse et déplacements 3D
Budget
Budget--tempstemps Travail locomoteurTravail locomoteur ParcoursParcours
ECG
Co
Coûût spt spéécifique des activitcifique des activitééss
GPS absolu absolu Objectifs du projet Objectifs du projet NaviMeles NaviMeles Retomb Retombéées es attendues attendues
Fig. 2.5. Projet NaviMeles et objectifs - premier objectif principal : reconstitution de l’attitude
Le projet NaviMeles est né suite à la difficulté pour les biologistes du DEPE à accéder aux informations relatives aux déplacements de leurs modèles d’étude (blaireau ou manchot). Pour ces animaux vivant en milieu forestier ou marin, les techniques de positionnement par GPS ne peuvent s’appliquer que pendant une faible proportion de leur temps de déplacement, laissant donc une grande part de leur budget temps inaccessible à toute investigation. L’alternative technique était d’utiliser des loggers permettant de reconstituer à la fois l’attitude et les déplacements 3D de l’animal grâce à des capteurs proprioceptifs, indépendant donc de l’accessibilité à une couverture satellite. Comme nous le verrons plus loin en détail, nous utiliserons dans ce projet une unité de mesure inertielle pour traiter la problématique d’estimation de l’attitude. Nous rappelons que l’attitude constitue l’information essentielle permettant aux biologistes d’accéder par la suite aux calculs de la position et des dépenses locomotrices en terme énergétique.
L’étude éco-physiologique de ce projet s’intéresse par ailleurs à deux espèces animales (Manchot et Blaireau).
Les manchots
Les manchots (penguin en anglais, à ne pas confondre avec pingouin), sont des espèces d’oiseaux marins, incapables de voler à cause de leur adaptation extrême à la vie marine et à la plongée en eau profonde (Figure 2.6 (a)). Les 18 espèces actuelles de manchots se retrouvent dans des habitats variés de l’Hémisphère Sud, depuis l’Antarctique à l’Equateur. Les manchots les plus grands en taille, et les plus connus du grand public sont les manchots empereur et royal. Le manchot empereur est le plus grand et le plus lourd de tous les manchots, avec une hauteur atteignant jusqu’à 120 cm pour un poids qui varie entre 20 et 40 kg. Il peut plonger à plus de 500 m pour chercher de la nourriture durant des périodes temporelles d’environ 10 minutes. Cela laisse ainsi difficile leur suivie par la technique de GPS au cours de ces périodes. Selon l'UICN31, autorité mondiale en matière d'espèces menacées, 11 des 18 espèces sont sur le déclin et seraient menacées de disparition. Cela est dû à plusieurs facteurs tels que le changement climatique global et la surexploitation de leurs zones marines de chasse.
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Le manchot royal fait partie des espèces étudiées depuis plus de 20 ans au DEPE. Des séjours d’études et de recherches sont organisés tout au long de l’année aux îles de Crozet, un archipel sub-antarctique du sud de l’océan Indien qui constitue l'un des cinq districts des TAAF. Les biologistes ont recourt souvent à des bio-loggers spécifiques attachés au dos du manchot (Figure 2.6 (b)) dans le but d’étudier la physiologie de la plongée du manchot royal, sa thermorégulation sociale, ses dépenses énergétiques et ses stratégies de chasse (Handrich et al., 1997 ; Halsey et al., 2007 ; Halsey et al., 2008 ; Groscolas et al., 2010).
(a) (b)
Fig. 2.6. (a) Manchot en phase de plongée - (b) Exemple de bio-logger attaché au dos d’un manchot
Les blaireaux
Le Blaireau européen (Meles meles en latin) est la deuxième plus grosse espèce de Mustélidés d'Europe. Il est reconnaissable aux bandes longitudinales noires qu'il porte sur le museau (Figure 2.7 (a)). Son corps est trapu et peut atteindre 90 cm de long pour une vingtaine de kg. Cet animal, nocturne et omnivore, est capable de construire de vastes galeries (terriers) familiales dans le sol. L’idée d’utiliser des bio-loggers attachés à cet animal (Figure 2.7 (b)) typiquement forestier est d’étudier l’effet de la fragmentation de son paysage (intensification de l’agriculture ou de l’urbanisation) sur son comportement de recherche alimentaire, la taille de son territoire et sa survie. Plus précisément, il s’agit d’étudier l’organisation spatiale et temporelle des comportements des blaireaux, conjointement avec les dépenses énergétiques qui leur sont associées (Macdonald et Newman, 2002 ; Bodin et al., 2006).
(a) (b)
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2.3.3. Prototype final à l’issue du projet
Nous avons envisagé un prototype qui rassemble trois principales technologies : une triade composée de capteurs proprioceptifs (un accéléromètre, un magnétomètre et un gyromètre triaxiaux), un système de localisation absolue par satellites (GPS) (lorsqu’il est nécessaire de l’activer) et un système d’acquisition de données (logger) adapté à l’animal. D’autres types de capteurs (capteur de température, capteur de pression, capteur de lumière ou ECG) pourront être associés à ce bio-logger selon les besoins de l’utilisateur. La figure 2.8 présente le diagramme bloc simplifié du prototype envisagé.
Microcontrôleur
Microcontrôleur Mémoire
Unité de Mesure Inertielle (Accéléromètre triaxial, Magnétomètre triaxial et Gyromètre triaxial) GPS Capteur de température Capteur de lumière Capteur de pression Electrocardiogramme (ECG) Batterie
Fig. 2.8. Diagramme général du bio-logger
Ce système doit être capable d’enregistrer les paramètres biologiques (mouvement du corps ou attitude) et les signaux électriques (ECG) à des fréquences d’échantillonnage élevées (30-500 Hz). Si l’utilisation en laboratoire d’un tel système est relativement peu contraignante, l’application en milieu extérieur nécessite de résoudre divers problèmes d’autonomie en énergie (faible consommation) et en mémoire (compression des données et grande mémoire), tout en miniaturisant l’appareillage à l’extrême. Cela est particulièrement vrai pour le suivi d’un animal sauvage de petite taille qui évolue dans son milieu pendant plusieurs mois et dont le comportement ne doit pas être perturbé.
Le premier prototype simplifié de ce nouveau bio-logger est en cours de finalisation (calibration et test) en collaboration avec le LIP32 de l’ENS33
. Il intègre pour le moment uniquement une unité inertielle, mais constitue déjà une avancée par rapport aux loggers du même genre sur le marché (voir plus haut le Daily Diary proposé dans (Wilson et al., 2008)). Ce bio-logger intègre en effet, en plus des accéléromètres et des magnétomètres triaxiaux, un gyromètre triaxial pour mesurer les vitesses angulaires du corps de l’animal.
32 LIP : Laboratoire de l’Informatique du Parallélisme
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