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Robotique Mobile - Université de Strasbourg

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Ecole Nationale Sup rieure de Physique de Strasbourg e Universit de Strasbourg e

Robotique mobile

Bernard BAYLE, ann e 20102011 e

Ce document evolue gr ce a votre concours. a ` Pour lam liorer, communiquez moi vos remarques ou corrections par mail : e bernard@eavr.u-strasbg.fr

Table des mati` res e1 Introduction 1.1 Pr sentation des robots mobiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e 1.2 Probl` mes en robotique mobile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e 1.3 Objectifs du cours . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mod lisation e 2.1 D nitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e 2.2 Roulement sans glissement et contraintes non holon mes . . o 2.2.1 Roulement sans glissement . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Contraintes non holon mes . . . . . . . . . . . . . o 2.3 Les grandes classes de robots mobiles et leurs mod` les . . . e 2.3.1 Disposition des roues et centre instantan de rotation e 2.3.2 Robots mobiles de type unicycle . . . . . . . . . . . 2.3.3 Robots mobiles omnidirectionnels . . . . . . . . . . 2.4 Propri t s du mod` le cin matique dun robot . . . . . . . . ee e e 2.4.1 Repr sentation d tat . . . . . . . . . . . . . . . . . e e ` 2.4.2 Commandabilit des robots mobiles a roues . . . . . e Perception 3.1 Capteurs en robotique mobile . . . . . . . . . . . 3.1.1 Mesure de la rotation des roues . . . . . 3.1.2 Mesure dorientation et de position . . . 3.1.3 Mesure de proximit et de distance . . . e 3.1.4 Vision par ordinateur . . . . . . . . . . . 3.2 Localisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Odom trie . . . . . . . . . . . . . . . . e 3.2.2 T l m trie . . . . . . . . . . . . . . . . ee e 3.2.3 Localisation multicapteur . . . . . . . . . 3.3 Construction de carte . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 Cartes g om triques . . . . . . . . . . . e e 3.3.2 Cartes topologiques . . . . . . . . . . . . 3.4 Localisation et cartographie simultan es (SLAM) e 1 1 2 3 5 5 6 6 7 9 9 9 17 19 19 19 21 21 22 22 25 30 31 31 33 36 42 42 43 43 47 47 48 48

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Navigation 4.1 Probl matiques et approches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e 4.2 Planication de chemin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 G n ralit s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e e e

ii

Table des mati` res e

4.3

4.2.2 Espace des congurations . 4.2.3 D composition en cellules . e 4.2.4 M thode du potentiel . . . . e 4.2.5 Roadmaps . . . . . . . . . . Execution du mouvement . . . . . . 4.3.1 Les diff rents probl` mes . . e e 4.3.2 Suivi de chemin . . . . . . . 4.3.3 Stabilisation de mouvement

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Annexe : evaluation IndexBibliographie

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Chapitre 1

Introduction1.1 Pr sentation des robots mobiles e

De mani` re g n rale, on regroupe sous lappellation robots mobiles lensemble des e e e ` robots a base mobile, par opposition notamment aux robots manipulateurs. Lusage veut ` n anmoins que lon d signe le plus souvent par ce terme les robots mobiles a roues. Les e e autres robots mobiles sont en effet le plus souvent d sign s par leur type de locomotion, e e quils soient marcheurs, sous-marins ou a riens. e ` On peut estimer que les robots mobiles a roues constituent le gros des robots mobiles. Historiquement, leur etude est venue assez t t, suivant celle des robots manipulateurs, au o milieu des ann es 70. Leur faible complexit en a fait de bons premiers sujets d tude e e e pour les roboticiens int ress s par les syst` mes autonomes. Cependant, malgr leur sime e e e ` plicit apparente (m canismes plans, a actionneurs lin aires), ces syst` mes ont soulev e e e e e un grand nombre de probl` mes difciles. Nombre de ceux-ci ne sont dailleurs toujours e pas r solus. Ainsi, alors que les robots manipulateurs se sont aujourdhui g n ralis s dans e e e e lindustrie, rares sont les applications industrielles qui utilisent des robots mobiles. Si lon a vu depuis peu apparatre quelques produits manufacturiers (chariots guid s) ou grand e public (aspirateur), lindustrialisation de ces syst` mes bute sur divers probl` mes d licats. e e e Ceux-ci viennent essentiellement du fait que, contrairement aux robots manipulateurs pr vus pour travailler exclusivement dans des espaces connus et de mani` re r p titive, e e e e les robots mobiles sont destin s a evoluer de mani` re autonome dans des environnements e ` e peu ou pas structur s 1 . e N anmoins, lint r t ind niable de la robotique mobile est davoir permis daugmene ee e ter consid rablement nos connaissances sur la localisation et la navigation de syst` mes e e autonomes. La gamme des probl` mes potentiellement soulev s par le plus simple des roe e ` ` bots mobiles a roues en fait un sujet d tude a part enti` re et forme une excellente base e e pour l tude de syst` mes mobiles plus complexes. e e ` Dans ce cours, on se limitera volontairement a une pr sentation des robots mobiles e ` a roues et des probl` mes associ s a leur d placement autonome. Le lecteur curieux den e e ` e savoir plus sur la danse du bip` de ou la localisation des ROVs se tournera vers des publie ` cations de recherche. Avant de passer d nitivement a notre etude, on pourra n anmoins e e jeter un oeil curieux (gure 1.1) aux robots mobiles qui se moquent d nitivement de ce e1. Environnement structur : terminologie consacr e habituelle pour dire que lon connat la g om trie e e e e de lenvironnement dans lequel evolue le robot.

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1. Introduction

` que le sol soit plat ou non. On notera a cette occasion que tout engin mobile autonome peut se voir affubl du qualicatif de robot par les roboticiens, quil marche, rampe, vole e ou nage.

F IGURE 1.1 Les robots mobiles que vous ne verrez pas ici

1.2

Probl` mes en robotique mobile e

On distingue sans trop dambigut un certain nombre de probl` mes en robotique e e mobile. ` Bien evidemment, laspect mat riel, qui consiste a choisir et dimensionner aussi bien e la structure m canique du syst` me que sa motorisation, son alimentation et larchitecture e e ` informatique de son syst` me de contr le-commande apparat comme le premier point a e o traiter. Le choix de la structure est souvent effectu parmi un panel de solutions connues e et pour lesquelles on a d j` r solu les probl` mes de mod lisation, planication et comea e e e mande. Le choix des actionneurs et de leur alimentation est g n ralement assez tradie e tionnel. La plupart des robots mobiles sont ainsi actionn s par des moteurs electriques e ` a courant continu avec ou sans collecteur, aliment s par des convertisseurs de puissance e fonctionnant sur batterie. De la m me facon, les architectures de contr le-commande e o des robots mobiles ne sont pas diff rentes de celles des syst` mes automatiques ou roe e botiques plus classiques. On y distingue cependant, dans le cas g n ral, deux niveaux e e de sp cialisation, propres aux syst` mes autonomes : une couche d cisionnelle, qui a e e e e en charge la planication et la gestion (s quentielle, temporelle) des ev` nements et une e couche fonctionnelle, charg e de la g n ration en temps r el des commandes des actione e e e neurs. Bien evidemment, larchitecture du robot d pend fortement de loffre et des choix e technologiques du moment. Pour plus de renseignements sur la technologie des robots mobiles, on pourra avec prot examiner louvrage de Jones, Flynn et Seiger [Jones 99],

1.3. Objectifs du cours

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` e qui est a la fois un manuel el mentaire de robotique et un guide pratique de lapprenti bricoleur. M me si le novice en robotique croit parfois que tout lArt de la discipline consiste e ` a fabriquer le robot le plus beau et le plus rapide, force est de constater que cette etape, certes n cessaire, nest pas au centre des pr occupations de la robotique mobile. Les e e ` probl` mes sp ciques a la robotique mobile napparaissent nalement que lorsque lon e e dispose dune structure mobile dont on sait actionner les roues. Tous les efforts du ro` boticien vont alors consister a mettre en place les outils permettant de faire evoluer le robot dans son environnement de mani` re satisfaisante, quil sagisse de suivre un chee ` ` min connu ou au contraire daller dun point a un autre en r agissant a une modication e ` de lenvironnement ou a la pr sence dun obstacle. e

1.3

Objectifs du cours

Ce document a pour objectif d clairer le lecteur sur les probl` mes li s a la mod e e e ` e lisation, la perception et la navigation des robots mobiles. Chaque partie est trait e de e facon a donner une vue densemble des probl matiques et de l tat de lArt. A chaque ` e e etape, une proposition de lecture darticles de re