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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, AU 2016-2017 Mercredi 14h00-16h30, Jeudi 10h00-12h30 Salle TP101

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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, AU 2016-2017

Mercredi 14h00-16h30, Jeudi 10h00-12h30 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 proprioceptifs

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

Chapitre 1: Perception pour la robotique

3. Typologies de capteur

Odométrie: utilisation des mesures des capteurs de mouvement d’un robot pour estimer la variation de position au fil du temps

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Odometrie

Encodeur rotatif

Robots à roues: on « intègre » les révolutions des roues du robot pour avoir une estimation du parcours effectué (voir le cours de « Localisation et Navigation de Robots » dans le 2ème semestre)

•  Inconvénients de l’odometrie •  Dérive sur des longs parcours •  Glissement des roues

?

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Exemple sur le terrain …

Trajectoire de 25 m estimée grâce à l’odometrie d’un robot Pioneer 3-AT (« Bois Bonvallet », Amiens, août 2016)

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Un encodeur rotatif est un dispositif qui convertit la position angulaire d’un axe ou d’un arbre en code analogique ou binaire

Encodeurs rotatifs

•  Encodeurs mecaniques et optiques (les plus utilisés en robotique, ex. pour l’odométrie)

•  Deux types d’encodeurs:

•  Absolus: la sortie de l’encodeur indique la position courante de l’axe (transducteur d’angle). L’information n’est pas perdue lorsque l'alimentation est coupée: elle est disponible à nouveau lorsque l’alimentation est rétablie.

•  Incrémentaux (ou relatifs): la sortie de l’encodeur nous informe du mouvement de l’axe. Cette information est typiquement traitée ultérieurement pour obtenir des mesures de vitesse, distance ou position.

Encodeur optique incrémental

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•  Encodeur optique absolu avec codage binaire (3 bits; noir 1, blanc 0)

•  Une paire émetteur/récepteur par bit

Encodeurs rotatifs: exemples

•  Encodeur optique absolu avec codage Gray (BRGC: binary-reflected

Gray code), (3 bits; noir 1, blanc 0)

0 0 0

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•  Encodeur optique absolu avec codage binaire (8 bits; codage mixte sur 4 + 4 bits)

Encodeurs rotatifs: exemples

•  Encodeur optique incrémental

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•  Encodeur optique incrémental en quadrature

Encodeurs rotatifs: exemples

•  Deux canaux: la relation de phase entre les trains d’impulsions sur les canaux A et B permet de déterminer le sens de rotation

•  Une fente unique sur la piste externe produit une impulsion (index, I) de référence par révolution

haut bas

haut haut

bas haut

bas bas

A B

I

Etat

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Capteurs proprioceptifs

•  Accéléromètres •  Estimation de l’accélération sur 3 axes; Intégrés sur puce •  Utilisés dans les drones, smart-phones, airbags des

voitures, consoles de jeu (Nintendo Wii), pacemakers, etc.

•  Gyroscopes •  Mesure du cap (heading, en anglais) et attitude: faible

coût, dérive < 1° par heure (en avionique: 0.001 deg/h)

•  Centrale inertielle (IMU)

•  Inclinomètres (ou clinomètres) •  Mesure des angles par rapport à la ligne d'horizon (ou horizontale) •  Très sensibles: résolution 0.01o

•  Applications: navigation des bateaux, commande de vol des avions

!  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

⌧ = I !⌦Précession

⌧ = I !⌦

!

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

14 Effet de Sagnac

Gyroscopes fréquentiels MEMS

!  Eléments mécaniques vibrants ◦ 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 très 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 : ◦ Orientation : lacet, tangage, roulis

•  Intégration en temps réel des mesures

◦ Sensible aux erreurs de mesure

, ✓, �

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

, ✓, �

xi, yi, zi

x, y, z

i, ✓i, �i

x, y, z

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Capteurs extéroceptifs

Passifs •  Capteurs de contact (bumpers, capteurs d’effort) •  Magnetomètres •  Capteurs de vision

•  Technologies: linéaire, matrice CCD, CMOS, etc. •  Plusieurs configurations (capteur single ou

multiple, ex. stéréo) et « accessoires » (optique « fisheye », miroirs, etc.)

Actifs •  Systèmes basés balises (localisation dans un repère fixe) •  Sonars (ultrasons) •  Télémètres laser •  Capteurs IR (infra-rouge) •  Radars (ondes radio)

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« 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

Trois « bumpers »

Capteurs de contact

Ils informent si le robot est en contact avec un objet (obstacle)

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Capteurs de contact

Capteur d’effort

•  Permet de mesurer les efforts en force et/ou en couple (ex. sur un effecteur)

•  Capteur actif : il traduit une variation de sa structure interne (en raison d’une force/couple) en signal électrique

•  Inconvénients : •  Coût élevé •  Etalonnage •  Fragilité •  Plages de mesures faibles

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Capteurs de contact

Torseur d’effort (Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz), ou wrench en anglais, dans la base du capteur à 6 DDL

Capteur d’effort à 6 DDL

Fx

Fz Mz

Mx

Fy

My

Force Couple

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

Unité : mm

Épaisseur : 37.5

Poids: 650 g

Trou

Exemple: capteur à 6 DDL FT 150 de Robotiq

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Guidage de mains robotisées

Assemblage Finition

Applications

Exemple: capteur à 6 DDL FT 150 de Robotiq

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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 techniques du capteur

Exemple: capteur à 6 DDL FT 150 de Robotiq

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1) Mains robotisées

Main Robonaut

Main DLR

Someya Lab, Univ. de Tokyo

Peau flexible avec une matrice intégrée de transistors organiques

Capteurs d’effort: applications

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2) Interfaces haptiques (du grec haptikos = ”capable d'entrer en contact avec”)

Omega 7 de Force Dimension

Falcon de Novint

Capteurs d’effort: applications

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3) Robots industriels coopératifs (“Cobots”)

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

UR3 de Universal Robots

Capteurs d’effort: applications

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Montage d’un moteur à pistons

Insertion d’une bobine dans un creux non chanfreiné

Reconnaissance de position

et ébavurage

Autres applications industrielles

Emballage de pièces électroniques de forme irrégulière

Capteurs d’effort

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•  Mesure de l’intensité ou de la direction (boussole/compas) du champ magnétique terrestre

•  Magnétomètre vectoriel: à induction magnétique (fluxmètre), à saturation (fluxgate), à effet Hall, etc.

•  En 2009, le prix d'un magnétomètre à 3 axes a chuté sous le niveau de 1$ par appareil. Ils sont integrés sur la plupart des smart-phones

Magnetomètres

Champ magnétique

terrestre

La valeur de l'induction magnétique au centre de la France est de l'ordre de 47 µT

L'axe géomagnétique fait un angle de 11.5° par rapport à l'axe de rotation de la Terre

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”)

( “beacon” ou “landmark” en anglais)

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 au 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: 35786 km

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GPS

Triangulation de satellites GPS

(Global Positioning System)

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 des satellites ◦ Suivi par stations au sol ◦ Station principale analyse les mesures et transmet

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

(Global Positioning System)

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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 monochromatique:

avec ◦  : vitesse de propagation de l’onde ◦  f , T : fréquence et période de l’onde, respectivement ◦  : longueur d’onde

•  : distance parcourue où est le temps-de-vol

v = � f =�

T

v

d = v t/2 t

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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 laser 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 de 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 du gaz en Kelvin

d =1

2v t

v =p

�RTp

E R

temps-de-vol

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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 m - 5 m

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cône de mesure

Distribution d’intensité

non uniforme

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Sonar

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!  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

?!

0.5 metrès