Caractérisation de la zone explorée par un robot sous-marin
L. Jaulin, B. Desrochers
Arras, 8 Nov 2018
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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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Prove that geo-localized islands will be reached by one boat
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Prove that geo-localized islands will be reached by the n boats
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Find a control to reach the geo-localized islands
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Explore a given area entirely to nd new islands
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Visible area
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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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Blind observer
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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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Predict is a blind estimation problem
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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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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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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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Blind exploration
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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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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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Spiral scan
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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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Boustrophedon
Which pattern is the best for exploration?
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Thick sets
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y
x
y
∈
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Interval analysis
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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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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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Interval arithmetic
[ −1 , 3 ] + [ 2 , 5 ] =?, [ −1 , 3 ] · [ 2 , 5 ] =?, abs ([ −7,1]) =?
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Interval arithmetic
[ −1 , 3 ] + [ 2 , 5 ] = [ 1 , 8 ], [ −1 , 3 ] · [ 2 , 5 ] = [ −5 , 15 ],
abs ([ −7, 1]) = [0,7]
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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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Theorem (Moore, 1970)
[f ] ([ x ]) ⊂ R + ⇒ ∀x ∈ [ x ] ,f ( x ) ≥ 0 .
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Set Inversion
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X = { (x 1 ,x 2 )
x 1 2 + x 2 2 ∈ [ 1 , 2 ] }
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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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(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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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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Thick intervals
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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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[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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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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Thick boxes
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[x−]
[x+]
The four boxes belong to the thick box [[ x ]] = [[[ x − ],[ x + ]]]
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[x]
x
1x
2y
1y
2[f ] a
[f ](a)
[f−]([x]) [f+]([x])
f−(a)
f+(a)
[ f ] ( a ) ∈ [[
f − ([ x ]) ,
f + ([ x ])]]
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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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Applications
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Daurade DGA-TN
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During its boustrophedon Daurade explored Z ∈ [[ Z ]]
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A la recherche de la Cordelière
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Reconstitution de la bataille youtu.be/yP4cM1UGrqY
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Expériences à Guerlédan youtu.be/KXHyYeWYGOI
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Submeeting 2018
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youtu.be/VqXG9zO_q1A submeeting2018.html
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Boatbot
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Objectif: remorquer le SeaSpy du Shom avec un zodiac autonome.
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Boatbot tracte un magnétomètre youtu.be/cxVs1fDdm1s
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G. Chabert and L. Jaulin.
A Priori Error Analysis with Intervals.
SIAM Journal on Scientic Computing, 31(3):22142230, 2009.
B. Desrochers and L. Jaulin.
Computing a guaranteed approximation the zone explored by a robot.
IEEE Transaction on Automatic Control, 62(1):425430, 2017.
B. Desrochers and L. Jaulin.
Thick set inversion.
Artical Intelligence, 249:118, 2017.
V. Drevelle, L. Jaulin, and B. Zerr.
Guaranteed characterization of the explored space of a mobile robot by using subpavings.
In Proc. Symp. Nonlinear Control Systems (NOLCOS'13), Toulouse, 2013.
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L. Jaulin and G. Chabert.
Resolution of nonlinear interval problems using symbolic interval arithmetic.
Engineering Applications of Articial Intelligence, 23(6):10351049, 2010.
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