Fabio MORBIDI

UPJV, Département EEA Master 2 EEAII

Parcours ViRob

Fabio MORBIDI

Laboratoire MIS !

Équipe Perception et Robotique!

E-mail: [email protected]!

Semestre 9, A.U. 2015-2016

Mardi 9h30-12h30 et 15h00-17h30 Salle TP101

Plan du cours

Chapitre 1: Perception pour la robotique [F. Morbidi]

Chapitre 2: Modélisation d’incertitudes [D. Kachi]

1. Introduction

3. Typologies de capteur

2. Classification des capteurs

1. Introduction

3. Représentation statistique 2. Représentation de l’incertitude

4. Propagation de l’erreur: fusion des mesures de l’incertitude

Chapitre 3: Traitement des mesures [D. Kachi]

1. Réseau multi-capteurs 2. Fusion des mesures

Partie I : Perception Avancée

3

Capteurs de contact (1)

« Bumper » : plot de contact tout ou rien (fonctionnement basé sur la pression)

•  Avantages: coût, calcul, vitesse, robustesse, sécurité

•  Inconvénients: information

pauvre, contrainte sur l’environnement

Chapitre 1: Perception pour la robotique

3. Typologies de capteur

Trois « bumpers »

Capteurs de contact (2)

Capteur d’efforts

• 

Permet de mesurer les efforts en force et/ou en couple sur un effecteur

• 

Applications :

• 

Mains robotisées (capteurs tactiles/peau artificielle)

• 

Interfaces haptiques

• 

Robots industriels (coopératifs)

• 

Inconvénients : coût élevé, étalonnage,

fragile, plage de mesures faibles

5

Capteurs de contact (2)

Torseur d’effort (Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz) dans la base du capteur à 6 DDL Capteur d’efforts à 6 DDL

•  Il est un capteur actif qui traduit une variation de sa structure interne (en raison d’une force/couple) en signal électrique

Fx Mz Fz

Mx

Fy

My

Capteurs de contact (2)

Exemple: 6-axis force-torque sensor FT 150 de Robotiq

•  Compatibilité sur le robots Universal Robots, Yaskawa, Fanuc et ABB (environnement ROS)

Unité : mm Épaisseur : 37.5

Poids: 650 g Trou

7

Capteurs de contact (2)

Exemple: 6-axis force torque sensor FT 150 de Robotiq

Guidage de mains robotisées

Assemblage Finition

Applications

Capteurs de contact (2)

Exemple: 6-axis force torque sensor FT 150 de Robotiq

Plage de mesure Fx, Fy, Fz

Mx, My, Mz ± 150 N

± 15 Nm Résolution effective Fx, Fy, Fz

Mx, My, Mz ± 0.2 N

± 0.02 Nm Bruit du signal Fx, Fy, Fz (combinées)

Mx, My, Mz (combinées) ± 0.5 N

± 0.03 Nm Débit de données

en sortie 100 Hz

Tension d'entrée 6-28 V-DC

Puissance absorbée

maximale 2 W

Interface électrique RS-485, RS-232,

USB

Caractéristiques du capteur

9

Capteurs de contact (2)

Applications: mains robotisées

Main Robonaut Main DLR

Someya Lab, Univ. de Tokyo

Peau flexible avec une matrice intégrée de transistors organiques

Capteurs de contact (2)

Applications: interfaces haptiques (du grec haptikos = capable d'entrer en contact avec)

Omega 7 de Force Dimension

Falcon de Novint

11

Capteurs de contact (2)

Applications: robots industriels coopératifs (“Cobots”)

LBR IIWA (“lightweight”, “intelligent industrial work assistant") de KUKA

UR3 de Universal Robots

Capteurs de contact (2)

Montage d’un moteur à pistons

Insertion d’une bobine dans un creux non chanfreinés

Reconnaissance de position et ébavurage

Autres applications industrielles

Emballage de pièces électroniques de forme irrégulière

13

Capteurs proprioceptifs

Odométrie (du grec odos, qui signifie "route", et metron, qui signifie "mesure")

•  On « intègre » les révolutions des roues du robot pour avoir une estimation du parcours effectué (comme nous le verrons dans le cours de « Localisation et Navigation de Robots »)

•  Inconvénients

•  Dérive sur des parcours longs

•  Glissement des roues

Capteurs proprioceptifs

1.  Accéléromètre

•  Intégré sur puce

•  Utilisé dans les smart-phones, drones, airbags, Nintendo Wii, pacemakers, etc.

2.  Gyroscope

•  Mesure du cap (ou heading), faible coût, dérive mieux que 1 degré par heure (en avionique: 0.001 deg/h)

3.  Inclinomètre (ou clinomètre)

•  Mesure des angles par rapport à la ligne d'horizon (ou horizontale)

•  Inclinomètres très sensibles: résolution 0.01

•  Applications: navigation des bateaux (anciens

astrolables), commande de vol des avions

15

Capteurs proprioceptifs

4.  Magnétomètre

•  Mesure l’intensité ou la direction (boussole/compas) d’un champ magnétique

•  Magnétomètre vectoriel: à induction magnétique

(fluxmètre), à saturation (fluxgate), à effet Hall, etc.

•  En 2009, le prix d'un magnétomètre à 3 axes est tombé en dessous de 1$ par appareil. Ils sont integrés sur la plupart des smart-phones

5.  GPS

•  Exactitude standard: 10-15 mètres.

Elle peut être augmentée à quelques mètres

Capteurs exteroceptifs

Passifs

• 

Capteurs de vision

• 

Technologies: linéaire, matrice CCD, CMOS, etc.

• 

Plusieurs configurations (capteur single ou

multiple, ex. stéréo) et « accessoires » (lentilles

« fisheye », miroirs, etc.)

• 

Centrales inertielles

Actifs

• 

Capteurs IR (infra-rouge)

• 

Télémètres laser

• 

Sonars (ultrasons)

• 

Radars (ondes radio)

17

Classification (utilisation

typique) Capteur/Système

de perception PC ou EC A ou P Capteurs tactiles (détection de

contact physique ou de proximité, interrupteurs de sécurité)

Interrupteurs de contacts,

bumpers EC P

Barrière optique EC A

Capteurs de roue/moteur (vitesse et position de roue/

moteur)

Encodeurs à balais PC P

Potentiomètres PC P

Encodeurs optiques PC A

Encodeurs magnétiques PC A

Encodeurs inductifs PC A

Encodeurs capacitifs PC A

A : Actif P : Passif

PC : Proprioceptif

EC : Extéroceptif

Classification (utilisation typique) Capteur/Système

de perception PC ou EC A ou P Capteurs d’orientation (orientation du

robot en relation à un référentiel fixe) Compas EC P

Gyroscope PC P

Inclinomètre EC A/P

Basé balise (localisation dans

un référentiel fixe) GPS EC A

Balise active optique

ou radio EC A

Balise active à ultrasons EC A

Balises réflectives EC A

Classification (utilisation

typique) Capteur/Système

de perception PC ou EC A ou P Télémétrie active (réflectivité, temps-

de-vol et triangulation géométrique) Capteurs de réflectivité EC A

Capteur à ultrasons EC A

Télémètre laser EC A

Triangulation optique (1D) EC A

Lumière structurée (2D) EC A Capteurs de mouvement/vitesse

(vitesse relative à des objets statiques ou fixes)

Doppler radar EC A

Doppler sonore EC A

Capteurs de vision (télémétrie visuelle, analyse de l’image complète, segmentation, reconnaissance d’objet)

Caméras à capteur

CCD/CMOS EC P

19

  Mesure de changement d’orientation

  Trois principes de fonctionnement

◦  Mécanique (il repose sur le principe de conservation du moment angulaire)

◦  Optique (il repose sur l’effet de Sagnac)

◦  MEMS (systèmes micro-électromécaniques)

  Deux catégories

◦  Mesure directe d’angles (rare)

◦  Gyroscopes fréquentiels: mesure de vitesse de rotation

  Inconvénient: dérive

◦  Nécessité d’un recalage fréquent

◦  Dérive parfois supérieure à l’exactitude requise

Gyroscopes (Gyros)

Gyroscopes mécaniques

•  Le couple réactif τ est proportionnel à la vitesse de rotation ω de la roue disque, à la vitesse de précession Ω et à l’inertie de la roue I :

•  Gyro mécanique de haute qualité:

◦  70 k€

◦  Dérive: 0.02 deg/h

•  Mécanique complexe

◦  Peu utilisé en robotique mobile

τ = I ω Ω

Précession

Moment angulaire

τ = I ω Ω

Ω

ω

Axe de rotation (libre)

21

Gyroscopes optiques

•  Basés sur le comportement d’une onde optique dans un repère en rotation (effet de Sagnac)

•  Détection de rotation mécanique basée interférence lumineuse:

•  Deux rayons lumineux en directions opposées

•  Le rayon voguant contre la rotation est plus court

•  Décalage de phase

•  Intensité combinée dépend de la fréquence de rotation

•  Résolution de l’ordre du 0.0001 deg/s

Gyroscopes

optiques

rotation soutenant le capteur

Source de lumière (laser)

Miroir semi transparent (sépare le faisceau

en deux)

Les deux faisceaux vont en sens

inverse

Interferomètre: mesure la difference de temps

de parcours des deux faisceaux

Effet de Sagnac

Gyroscopes fréquentiels MEMS

  Eléments mécaniques vibrant

◦  Perception de l’accélération de Coriolis

◦  Accélération apparente d’un repère en rotation

  Plusieurs structures possibles

◦  Roue vibrante

◦  Résonateur hémisphérique

  Pas d’élément en rotation

  Consommation et taille réduite

  Excellents pour la

robotique

Centrale inertielle (ou IMU = “Inertial Measurement Unit")

25

•  Typiquement: accéléromètres + gyroscopes (mais les magnétomètres sont possibles aussi)

• 

Estimation de 6 DDL

◦  Position : x , y et z

◦  Orientation : lacet, tangage, roulis

• 

Intégration en temps réel des mesures

◦  Sensible aux erreurs de mesure

ψ, θ, φ

gyroscope

accéléromètre

intégration pour avoir l’orientation

transformation repère navigation

Retirer g de l’accélération

verticale

Vitesse initiale

Intégration pour avoir la vitesse

Position initiale

Intégration pour avoir la position

accélération vitesse position

ψ ˙ , θ, ˙ φ ˙ ψ, θ, φ

Balises

  Balises à position connue précisément

  Navigation basée balises: très ancienne

◦  Balises naturelles: étoiles, montagnes, soleil

◦  Balises artificielles: phares

  Inconvénients des balises à l’intérieur

◦  Équiper l’environnement (cher)

◦  Changements de l’environnement

  Flexibilité et adaptabilité limitées

  GPS

◦  Capteur clé en robotique mobile à l’extérieur

◦  Inutilisable à l’intérieur ou à l’exterieur dans des environnements fortement encombrés

("canyons urbains”)

(Eng. “beacon” ou “landmark”)

Balises optiques passives

27

  Balises rétroréflectives passives de positions connues

  La distance et orientation de deux balises au moins doivent être mesurées pour déduire une position (télémètre laser)

Balise rétroréflective

laser

Balises actives à ultrasons

  Positions absolues des émetteurs connues

  Temps-de-vol: déduction des positions relatives

  Synchronisation nécessaire (via radio, IR)

Émetteur à ultrasons station

robots équipés de récepteurs

d’ultrasons Émetteur

à ultrasons

GPS

29

  Origine militaire É.U. (1

satellite: 1978)

  31 satellites en orbite à 20180 km

  Garantie d’avoir toujours 6 satellites dans la ligne de visée d’un dispositif dans le monde entier

  Au moins 4 satellites pour estimer la position (x, y, z)

  Localisation basée GPS: mesure de temps-de-vol

  Difficultés techniques

◦  Synchronisation

  Entre les satellites

  Entre les satellites et le récepteur GPS

◦  Mise à jour temps-réel de la position exacte des satellites

◦  Mesure précise du temps-de-vol

◦  Interférences, réflexions du signal, etc.

  Autres systèmes analogues: GLONASS (Russie), COMPASS (Chine), Galileo (UE)

(Global Positioning System)

Comparaison des

orbites des satellites

•  GPS

•  GLONASS

•  COMPASS

•  Galileo

ISS “Station spatiale internationale”:

en orbite à 410 km Iridium:

système global de

communications Orbite

Géostationnaire:

35800 km

31

GPS

Triangulation de satellites GPS

(Global Positioning System)

Satellite 2

Satellite 3 Satellite 1

Usager

GPS

  Synchronisation

◦  0.3 m/ns : exactitude de position proportionnelle à la mesure du temps

◦  Horloge atomique sur chaque satellite

   Mise à jour temps-réel des positions de satellites

◦  Suivi par stations au sol

◦  Station principale analyse les mesures et transmets les positions courantes à chaque satellite

  Mesure exacte du temps-de-vol

◦  Avec 4 satellites, identification de x, y, z et d’un facteur de correction de délai Δ

  GPS commerciaux

◦  Exactitude en position

  10 m dans le plan horizontal

  45 m selon la verticale

◦  Mise à jour: entre 1 et 4 Hz

  GPS différentiel (DGPS)

• 

Exactitude en position ~ 10 cm

(Global Positioning System)

33

DGPS

Coordonnées (x,y,z) Coordonnées

(x’,y’,z’)

Récepteur 1:

station de base fixe Récepteur 2:

véhicule en mouvement Satellites GPS

correction des données (post-traitement)

Capteurs temps-de-vol

  Information de distance, élément clé

◦  Évitement d’obstacle

◦  Localisation

◦  Modélisation d’environnement

  Sonars et télémètres laser

  Exploitation de la vitesse de propagation de l’onde.

Pour une onde harmonique:

avec

◦  : vitesse de propagation de l’onde

◦  f , T : fréquence et période de l’onde

◦  : longueur d’onde

◦  : distance parcourue

◦  : temps-de-vol

v = λ f = λ T

λ v

d = v t/2

t

35

Capteurs temps-de-vol

 

Caractéristiques

◦  Vitesse du son : 0.3 m/ms (c’est-à-dire, 300 m/s)

  Sonar : 3 m  10 ms

◦  Vitesse de la lumière : 0.3 m/ns (c’est-à-dire, 300000 km/s)

  Télémètre laser : 3 m  10 ns

  Besoin d’électronique très rapide

  Télémètres lasers beaucoup plus chers et difficiles à concevoir

 

La qualité dépend de:

◦  Inexactitudes dans la mesure du temps-de-vol

◦  Angle d’ouverture du rayon transmis (pour les sonars)

◦  Interaction avec la cible (surface, réflexions spéculaires/diffuses)

◦  Variation de la vitesse propagation (son suivant le milieu)

◦  Vitesses du robot mobile et de la cible

(surtout si différentes)

Sonar

•  Principe de fonctionnement du sonar

Onde d’écho Paquet d’onde

initiale

Écho

Chirp

Objet Récepteur

Émetteur Carte électronique

Parallex PING

37

Sonar

  Emet un paquet d’ondes d’ultrasons

  Distance de l’objet faisant écho :

  Vitesse du son :

avec

◦  : index adiabatique (1.402 pour l’air)

◦  R : constante de gaz (287.05 J kg

K

pour l’air)

◦  T

: température en Kelvin

d = 1

2 v t

v = �

γ R T _p

R E

temps-de-vol

γ

38

Sonar

  Fréquences typiques : 40-180 kHz

  Génération de l’onde sonore

◦  Piézo-transducteur

◦  Émetteur et récepteur séparés ou non

  Le rayon sonore se propage dans un cône

◦  Angles d’ouverture entre 20° et 70°

◦  Portée: 0.1-5 m

cône de mesure

Distribution d’intensité

non uniforme

39

Sonar

39

  Problèmes:

◦  Certaines surfaces absorbant le son

◦  Surface loin d’être perpendiculaire à la direction du son: réflexion spéculaire !

robot

Matériau poreux

Matériau dur ok

porte

fenêtre

?!