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L.Jaulin,B.Desrochers Caractérisationdelazoneexploréeparunrobotsous-marin

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Texte intégral

(1)

Caractérisation de la zone explorée par un robot sous-marin

L. Jaulin, B. Desrochers

Arras, 8 Nov 2018

L. Jaulin, B. Desrochers Caractérisation de la zone explorée par un robot sous-marin

(2)

Polynesian navigation

Given a set of point islands m 1 , m 2 , . . . Boats have a visibility area.

Boats have to move in this environment without being lost, nd new islands, etc.

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(3)

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(4)

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(5)

Prove that geo-localized islands will be reached by one boat

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(6)

Prove that geo-localized islands will be reached by the n boats

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(7)

Find a control to reach the geo-localized islands

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(8)

Explore a given area entirely to nd new islands

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(9)

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(10)

Visible area

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(11)

The robot has a state x. The visible area is V ( x ) Example. The robot is able to see all up to 3 meters

V ( x ) = n

(z 1 , z 2 ) | (z 1 − x 1 ) 2 + (z 2 − x 2 ) 2 ≤ 9 o .

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(12)

Blind observer

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(13)

Given 

x ˙ = f (x, u) , u (t) ∈ [u] (t) y = g ( x ) , y (t) ∈ [ y ] (t) x ( 0 ) = x 0

An observer is blind if dimy= 0.

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(14)

Predict is a blind estimation problem

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(15)

x(t) ˙ = f(x(t), u(t))

y (t) = g ( x (t)) + e y (t) e y (t) ∈ [ e y ] u (t) = r ( y (t)) + e u (t) e u (t) ∈ [ e u ]

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(16)

x(t) ˙ = f (x(t), r(g(x(t)) + e y (t))+e u (t)) e y (t ) ∈ [ e y ], e u (t) ∈ [ e u ]

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(17)

x(t) ˙ = h(x(t),v(t)) v (t) ∈ [ v ] with v = ( e y , e u )

h ( x , v ) = f ( x , r ( g ( x ) + e y ) + e u ) [v] = [e y ] × [e u ]

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(18)

Blind exploration

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(19)

The blind explored zone Z is dened by [2]

x ˙ = f ( x , u ) , u (t) ∈ [ u ] (t) Z = S t ≥0 V (x (t))

x ( 0 ) = x 0

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(20)

We have

\

x ( · ) ∈X ( · )

[

t ≥0

V ( x (t))

| {z }

Z

⊂ Z ⊂ [

x ( · ) ∈X ( · )

[

t ≥0

V( x (t))

| {z }

Z

+

.

Z is the certainly explored zone.

Z + is the maybe explored zone.

Z + \Z is the penumbra.

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(21)

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(22)

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(23)

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(24)

Spiral scan

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(25)

We have [4]

[

t ≥0

\

x∈X (t)

V ( x )

| {z }

{z | ∃ t ∀x∈X (t), z∈V ( x ) }

⊂ Z = \

x ( · ) ∈X ( · )

[

t ≥0

V ( x (t ))

| {z }

{z | ∀x ( · ) ∈X ( · ),∃ t, z∈V ( x ) }

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(26)

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(27)

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(28)

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(29)

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(30)

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(31)

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(32)

Boustrophedon

Which pattern is the best for exploration?

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(33)

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(34)

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(35)

Thick sets

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(36)

y

x

y

x

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(37)

Interval analysis

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(38)

Problem. Given f : R n → R and a box [ x ] ⊂ R n , prove that

∀x ∈ [ x ], f ( x ) ≥ 0 .

Interval arithmetic can solve eciently this problem.

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(39)

Example. Is the function

f ( x ) = x 1 x 2 − (x 1 + x 2 ) cos x 2 + sin x 1 · sin x 2 + 2 always positive for x 1 , x 2 ∈ [ −1,1 ] ?

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(40)

Interval arithmetic

[ −1 , 3 ] + [ 2 , 5 ] =?, [ −1 , 3 ] · [ 2 , 5 ] =?, abs ([ −7,1]) =?

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(41)

Interval arithmetic

[ −1 , 3 ] + [ 2 , 5 ] = [ 1 , 8 ], [ −1 , 3 ] · [ 2 , 5 ] = [ −5 , 15 ],

abs ([ −7, 1]) = [0,7]

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(42)

The interval extension of

f (x 1 , x 2 ) = x 1 · x 2 − (x 1 + x 2 ) · cos x 2 + sin x 1 · sin x 2 + 2 is

[f ] ([x 1 ] ,[x 2 ]) = [x 1 ] · [x 2 ] − ([x 1 ] + [x 2 ]) · cos [x 2 ] + sin [x 1 ] · sin [x 2 ] + 2 .

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(43)

Theorem (Moore, 1970)

[f ] ([ x ]) ⊂ R + ⇒ ∀x ∈ [ x ] ,f ( x ) ≥ 0 .

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(44)

Set Inversion

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(45)

X = { (x 1 ,x 2 )

x 1 2 + x 2 2 ∈ [ 1 , 2 ] }

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(46)

Thick sets

The boat at a ∈ [ a ] sees all at distance in [y ] = [ 0,10 ] and nothing outside [y ] = [ 0 , 20 ].

What is the visible zone Z ?

We apply interval arithmetic to characterize Z.

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(47)

(i ) ([z 1 ] − [a 1 ]) 2 + ([z 2 ] − [a 2 ]) 2 ⊂ [ 0 , 10 ] ⇒ [ z ] ⊂ Z (ii ) ([z 1 ] − [a 1 ]) 2 + ([z 2 ] − [a 2 ]) 2 ∩ [ 0 , 20 ] = /0 ⇒ [ z ] ∩ Z = /0.

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(48)

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(49)

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(50)

Thick set inversion problem [3] can be written as

X = f −1 (Y), f ∈ [ f ] and Y ∈ [[Y]].

The set X is a solution if

∃f ∈ [ f ] ,∃Y ∈ [[ Y ]], X = f −1 ( Y ).

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(51)

Thick intervals

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(52)

A thick interval [[x]] is a set of intervals [1]

[[x]] = [[[x ] ,[x + ]]]

=

[x ,x + ] ∈ IR | x ∈ [x ] and x + ∈ [x + ] .

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(53)

[2,2]

[1,7]

[3,6]

[3,8] [7,8]

lb ub

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

JaK

JbK

In the endpoints diagram, an interval is a point

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(54)

Operations

Multiplication [5]. Since

[a,b] · [c ,d ] = [ min (ac ,ad ,bc ,bd ),max (ac ,ad ,bc ,bd )]

we have

[[[a],[b]]] · [[[c],[d ]]]

= [[ min ([a] · [c ],[a] · [d ], [b] · [c], [b] · [d ]), max ([a] · [c ], [a] · [d ],[b] · [c ],[b] · [d ]) ]]

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(55)

Thick boxes

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(56)

[x]

[x+]

The four boxes belong to the thick box [[ x ]] = [[[ x ],[ x + ]]]

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(57)

[x]

x

1

x

2

y

1

y

2

[f ] a

[f ](a)

[f]([x]) [f+]([x])

f(a)

f+(a)

[ f ] ( a ) ∈ [[

f ([ x ]) ,

f + ([ x ])]]

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(58)

0 5 10 15 20 25

-18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

-0.5 0 0.5 1 1.5 10

1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6

We conclude that [ x ] is inside the penumbra

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(59)

Applications

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(66)

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(67)

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