Simulation des capteurs

a) Interface utilisateur

Nous venons de modeliser dierents types de capteurs. Nous presentons maintenant les capteurs simules, bases sur des capteurs reels. Tout d'abord, nous avons developpe une interface pour permettre a l'utilisateur de faire une selection des capteurs qu'il desire placer sur le robot, avec choix des caracteristiques de ces capteurs (cf. Figure 6.10). Un capteur est ajoute sur le robot, apres avoir choisi les valeurs des caracteristiques suivantes :

{ support du capteur,

{ type de capteur (1D, 2D, 3D), d'ou l'achage de la fen^etre de dialogue du type de capteur choisi,

2Plus une facette est petite, plus elle disperse le rayon. Par consequent, le bruit augmente inversement propor-tionnellement a la taille de la facette de l'objet.

{ taille du capteur,

{ position et orientation du capteur, par rapport a son support, { seuil minimal et seuil maximal,

{ parametres pour l'attenuation selon la distance, { parametres pour l'attenuation selon l'incidence, { parametres pour le bruit.

Nous maintenons une liste des capteurs de maniere a pouvoir acceder a nouveau aux modeles des capteurs, pour les modier ou les retirer.

Des fonctionnalites supplementaires ont ete ajoutees, de maniere a verier la detection realisee. Dans le cas du lancer de rayon, nous achons eectivement ce rayon, pour vi-sualiser les moments ou le rayon touche les obstacles (cf. Figure 6.11). Dans le cas de la camera, nous achons dans une fen^etre hors-ecran le tampon de profondeur relatif a la camera, en niveaux de gris. Nous visualisons ainsi les distances aux objets en degrade de gris : plus le pixel est fonce, plus le point correspondant a ce pixel est proche du capteur (cf. Figure 6.12).

b) Modelisation de capteurs reels

Nous avons simule des telemetres laser, des capteurs a ultra-sons et des capteurs de re ectance. Nous nous servons de l'interface presentee ci-dessus pour choisir les types de capteurs a ajouter sur le robot, en precisant chacun des parametres du capteur : sa taille, sa position et son orientation, son champ de vue, les in uences de la distance et de l'angle d'incidence, et les parametres pour le bruit. Pour chaque modele de capteur presente, nous donnons ses parametres speciques.

Telemetre laser

C'est un capteur de type 1D avec les parametres suivants :

taille : 0.05 m x 0.05 m x 0.05 m

distance min.: dmin = 0. m

distance max.: dmax = 2. m

in uence de la distance : d2[dmin;dmax]

in uence de l'angle d'incidence: 2[,45o;+45o]

bruit : Gaussien, = 0:01; m= 0:

Une bonne approximation est de dire que la lumiere est recue lorsque l'angle d'incidence

est dans l'intervalle [,45o;+45o]. La distance resultante dr est alors calculee par :

if (d2[dmin;dmax])and (2[,45o;+45o])

then dr =d:(1 +B)

a)Capteur1D. b)Capteur3D.

Fig. 6.11: Visualisation du rayon modelisant l'onde emise par un capteur 1D.

a) Visualisation directe. b) Visualisation des profondeurs en niveaux de gris, tronquee par le lobe d'emission.

Capteur a ultra-sons a hautes frequences

C'est un capteur de type 1D avec les parametres suivants :

taille : 0.05 m x 0.05 m x 0.05 m

distance min. : dmin = 0.1 m

distance max. : dmax = 1. m

in uence de la distance : d2[dmin;dmax]

in uence de l'angle d'incidence : 2[,15o;+15o]

bruit : Gaussien,  = 0:01; m = 0:

Une bonne approximation est de dire que l'onde ultra-sonore re echie de maniere speculaire

est recue lorsque l'angle d'incidence est dans l'intervalle [,15o;+15o]. La distance

resul-tante dr est alors calculee par :

if(d 2[dmin;dmax]) and (2[,15o;+15o])

then dr =d:(1 +B)

else dr =dmax

Capteur de re ectance (diode infra-rouge ou laser)

C'est un capteur de type 1D avec les parametres suivants :

taille : 0.05 m x 0.05 m x 0.05 m

distance min. : dmin = 0. m

distance max. : dmax = 1. m

in uence de la distance : d2[dmin;dmax]

in uence de l'angle d'incidence : 2[,90o;+90o]

bruit : Gaussien,  = 0:01; m = 0:

La distance reelle est fonction du signal :

dr = f,1(s)

Tandis que les capteurs precedents donnent directement la distance reelle, les capteurs de re ectance fournissent l'intensite de la lumiere diuse. Cette intensite est fonction de la

distance d, de l'angle d'incidence  et du bruit B :

s=f(d;;B)

Nous utilisons l'equation suivante pour simuler le comportement du signal :

s= (dmax,d)

d2 :cos2:(1 +B) (6.5)

L'equation (6.5) indique que le signal est inversement proportionnel a la distance, et tend vers zero lorsque la distance atteint la distance maximale. Au-dessus de cette limite, le

-2 π 0 1 cos 2α cos α 2 π α

Fig. 6.13: Le signaldu capteur de re ectanceest fonction de l'angle d'incidence.

signal donne pour valeur zero (cf. Figure 6.6). Le signal est aussi fonction de l'angle d'in-cidence : plus cet angle est petit, plus l'intensite lumineuse est grande. Nous choisissons de modeliser cet aspect en considerant le signal comme fonction du carre du cosinus de l'angle d'incidence (cf. Figure 6.13).

Lorsqu'un signal est recu par un tel capteur, de par l'equation (6.5), nous ne pouvons deduire directement la distance detectee, puisque dans la realite, aucune information sur

l'angle d'incidence et sur le bruit n'est fournie. Nous faisons donc l'approximation que 

etB sont nuls, de maniere a obtenir quand m^eme une valeur approximative de la distance

detectee da partir du signal modelise s. De l'equation (6.5), nous obtenons un polyn^ome

de degre 2 en d :

s:d

2+d,dmax= 0

Les deux racines de ce polyn^ome sont :

f ,1 (s) = ,1 p 1 + 4:s:dmax 2s (6.6) La seconde racine est toujours negative, nous prenons donc la premiere racine, qui est

toujours positive, pour calculer la distance approximee dr :

if (d2[dmin;dmax])and (2[,90o;+90o])

then s= (dmax,d) d 2 :cos2  :(1 +B) dr = ,1 +p 1 + 4:s:dmax 2:s else dr =dmax

Capteur a ultra-sons a basses frequences

taille : 0.05 m x 0.05 m x 0.05 m

distance min. : dmin = 0.1 m

distance max. : dmax = 1. m

in uence de la distance : d2[dmin;dmax]

in uence de l'angle d'incidence : 2[,15o;+15o]

bruit : Gaussien,  = 0:01; m = 0:

angle de largeur : l= 30o

angle de hauteur : h= 30o

Une bonne approximation est de dire que l'onde ultra-sonore re echie de maniere speculaire

est recue lorsque l'angle d'incidence est dans l'intervalle [,15o;+15o]. La distance

resul-tante dr est alors calculee par :

dr =dmax

for each pixel p in the image

if (d(p)2[dmin;dmax])and ((p)2[,15o;+15o])

then dr(p) =d(p):(1 +B)

if dr(p)< dr

then dr=dr(p)

6.2.4 Discussion

Nous avons deni deux types de base de capteurs, les capteurs 1D et les capteurs 3D, correspondant a deux types d'ondes. Les premieres etant tres directives, nous les avons modelisees par un lancer de rayon. Les secondes etant moins directives et par consequent plus volumiques que les precedentes, nous les avons modelisees a partir du

concept de camera dans Open InventorTM. Pour parfaire ces capteurs de base realises au

moyen d'outils graphiques, nous appliquons un post-traitement pour prendre en compte les attenuations du signal causees par la distance et l'angle d'incidence, ainsi que le bruit du capteur.

A partir de ces capteurs de base, nous avons mis en uvre dierents modeles de capteurs proximetriques, tels qu'un telemetre laser, un capteur de re ectance, des capteurs a ultra-sons hautes frequences et basses frequences. Nous pouvons alors placer ces capteurs sur le robot. Ainsi, lorsque le robot marche, il peut explorer son environnement gr^ace aux capteurs xes sur lui. En eet, les capteurs delivrent a chaque instant des informations sur l'environnement local du robot. Toutefois, ces capteurs proximetriques ne delivrent que des distances aux obstacles. Or, ce type de donnees ne permet pas, de maniere directe, de renseigner sur la nature des obstacles rencontres. Avec les distances pour seul type d'information sur son environnement, l'unique action que le robot peut realiser est de s'arr^eter. Ce comportement est assez limite, et nous souhaitons ameliorer ses capacites, en lui fournissant une connaissance un peu plus consequente. Nous proposons donc divers outils pour analyser les distances delivrees par les capteurs et repondre a cette attente.

6.3 Analyse des donnees capteurs

Nous souhaitons analyser les donnees fournies par les capteurs places sur le robot. Tout d'abord, nous supposons que toutes les donnees des capteurs sont coherentes entre elles. Cette hypothese simplicatrice permet d'eviter les inconvenients engendres par des infor-mations contradictoires, tels que la detection du m^eme objet par deux capteurs mais en des endroits dierents. En general, ce probleme est traite lors de la fusion multi-capteurs (cf. Annexe B).

Nous avons vu que les capteurs modelises jusqu'a present, ne fournissent qu'une in-formation ponctuelle de distance aux objets rencontres. Nous proposons dans un premier temps, de rassembler les distances detectees au cours du mouvement, pour en tracer l'evolution. Ensuite, nous choisissons de calculer le prol de l'environnement detecte. Il s'agit de determiner les points touches dans l'environnement, a partir des distances detectees, de la geometrie du robot, et de la position et l'orientation du capteur sur le robot. Enn, nous proposons un algorithme qui permet de reconna^tre certains types d'obstacles, ceux qui presentent un inter^et particulier pour notre etude.