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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

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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

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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 »

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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

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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

Fz Mz

Mx

Fy

My

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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

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

Guidage de mains robotisées

Assemblage Finition

Applications

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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

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Applications: mains robotisées

Main Robonaut

Main DLR

Someya Lab, Univ. de Tokyo

Peau flexible avec une matrice intégrée de transistors organiques

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

Omega 7 de Force Dimension

Falcon de Novint

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Applications: robots industriels coopératifs (“Cobots”)

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

UR3 de Universal Robots

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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

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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

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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 0.01o

• Applications: navigation des bateaux (anciens astrolables), commande de vol des avions

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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

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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)

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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

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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

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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)

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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 ωΩPrécession

Moment angulaire

τ = I ωΩ

Ω

ω

Axe de rotation (libre)

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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

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Gyroscopes optiques Plateforme en

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

23 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

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

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• 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

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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

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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

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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

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Origine militaire É.U. (1er 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)

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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

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GPS

Triangulation de satellites GPS


Satellite 2

Satellite 3

Satellite 1

Usager

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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 Δt

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


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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)

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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/2t

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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)

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Sonar

• Principe de fonctionnement du sonar

Onde d’écho

Paquet d’onde initiale

Écho

Chirp

Objet

Récepteur

Émetteur Carte électronique

Parallex PING

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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-1 K-1 pour l’air) Tp : température en Kelvin

d =1

2v t

v =

γRTp

E R

temps-de-vol

γ

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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

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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

?!

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