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Université de Sherbrooke

1. 30400 Datalaser 30309 y i TT RawDeta Mailbox a 30500 c c 13128 13129 DalaRaw WEB GUI i GUD mGUlManagerAA c30403 al JoYSlikCommand 30503 10100 10101 Mailbox SE 30000 c 30401 13100 13101 mmandJoystick a cpe dc 4 Teleap Mailbox a 30501 o 13102 13103 mandMotor aaldTRDecisionNetwork 12000 12001 30402 A Delta Mailbox a 30502 c 13104 13105 30141 1539 CommandMotor Lacalisalion Reset 30404 8 Target Mailbox a 30504 c Data 13106 13107 DataListiDatazDPoint c 30405 al LocalisationRese 30505 Mailbox Daia2DPoint c 13136 13137 c c 30701 Ly Data2DPoint ej dd edel el c NorthStar ni R aaidLocalize c 30150 2 Localize Splitter a 30700 Goal Mailbox 10102 10103 13600 13001 13132 13133 z DataeDPoint 781 Dais 7DPoint 30140 L ge vane LocalizePathPlan ocalisation CARMEN izi DataOdometry Mailbox aain aihn aonr 13130 13131 cl OdometryLocalize a 302 Mailbox 13126 13127 Path Mailbox pem 13134 13135 DataGdometry a 30100 wii Odometry Splitter 13002 13003 DataOdometry 30101 a IR Splitter IR Mailbox 13004 13005 138116 13117 G 30203 Data IR fobotinterfaceAA t 0102 Sonar Splitter n Jc SonerMalibox ja 30303 aaplayer c 13006 13007 13118 13119 aafdTRPioneer2Block c 30103 30204 DataSonar telerobotAA c al Power Splitter a 771 Power M
2. Ecart type 0 149 0 224 Coefficient de variation observ es sont de 371 msec pour une vitesse initiale de 100 mm sec et de 515 msec une vitesse initiale de 250 mm sec Ceci correspond des distances maximales th oriques d arr t de 37 1 mm et 128 75 mm respectivement Ces valeurs ne consid rent pas le ralentissement du robot lors de l arr t Autrement dit les distances r elles seront plus courtes En consid rant le temps de r action maximal 737 msec une vitesse de 250 mm sec la distance maximale th orique franchie est de 184 mm Il est noter que les cartes de contr le des moteurs n utilisent pas de pente dans l asservissement des vitesses La coupure est donc faite de facon brusque expliquant pourquoi les temps de r action sont aussi rapides Ce mode de fonctionnement est utilis par le robot lors de situations normales de fonctionnement pour que le temps de r action soit le plus rapide possible en t l op ration Pour les tests de validation des comportements d vitement d obstacles la m thode utilis e est de d placer le robot en ligne droite pour qu il rencontre un obstacle qui se trouve direc tement devant lui La distance mesur e est celle entre le ch ssis du robot et l obstacle Dans les cas de Avoid Front et Avoid Back la technique utilis e pour arr ter le robot est de d finir une zone ot le robot ralentit en fonction de la distance de l obstacle telle qu illustr e la figure 5 4
3. La vitesse V r sultante du robot s value en effectuant une moyenne des vitesses des deux roues selon la relation 4 2 V Varoite Voauche 2 2x RJ P Earoite Egauche 2 4 2 Le d placement angulaire du robot s value partir du diff rentiel de vitesse entre les deux roues et la distance T 480 mm sur T l robot entre les deux roues de propulsion selon la formule 4 3 La valeur r sultante est en radians Ocycle Varoite Voauche T 100 ms 4 3 Les variations de position AX AY et d orientation AO du robot se d terminent par tir de ces vitesses valu es sur un intervalle de temps dt correspondant au cycle de ra fraichissement des donn es 10 Hz Les quations 4 4 4 5 et 4 6 sont utilis es pour corriger l estimation de position Ces quations estiment la position o se trouvera le robot apr s 100ms partir des valeurs de position estim es lors du cycle pr c dent valeurs avec l in dice k et des variations calcul es partir des vitesses des roues de propulsion AX AY et AO Il faut consid rer le d placement angulaire pour estimer la nouvelle position X Y de la plate forme La raison est que le robot peut tourner sur lui m me tout en avan ant trajectoire en arc C est pour cette raison que la valeur moyenne de d placement angulaire CHAPITRE 4 LOCALISATION ET PLANIFICATION DE TRAJECTOIRES 40 est ajout e la valeur d orientation estim e lors du cycle pr c dent
4. Xa Xy Voyctedt sin Ox Ocycte 2 4 4 Yes LO Voyctedt COS Ok Ocycte 2 4 5 Drui Ok Ocycledt 4 6 Pour fins de comparaison des tests d odom trie furent effectu s sur T l robot ainsi que sur un robot Pioneer 2 fabriqu par la compagnie Mobile Robots Inc et largement utilis dans les laboratoires de recherche en robotique Le LABORIUS en poss de plusieurs exemplaires pour des fins de d veloppement Les outils de d veloppement du laboratoire e g Marie et FlowDesigner fonctionnent sur cette plate forme ce qui permet de faire des tests contr l s et une acquisition des donn es des diff rents capteurs du robot e g encodeur de roue Le type de propulsion utilis sur cette plate forme est le m me que celui du T l robot Le premier test consiste faire d placer le robot en ligne droite sur diff rentes distances 500 mm 1000 mm etc et de comparer les d placements r els du robot et la distance estim e par le robot Les distances de tests pour le Pioneer 2 ont t limit es 1000 mm car 1500 mm il tait rendu difficile d estimer pr cisement la position du robot car celui ci avait tendance tourner ses roues de propulsion tant l g rement inclin es par l usure du syst me Des s ries de dix tests furent r alis es pour ces distances et la moyenne ainsi que la variance des erreurs sont valu es Le tableau 4 1 pr sente les r sultats obtenus pour le robot Pioneer 2 et c
5. ses d placements Cette configuration donne 120 lectures de proximit soit une par degr et cette pr cision a t choisie car elle est utilis e par l application CARMEN pour son algorithme de localisation Il est noter que l utilisation du mode PUSH permet de d gager le robot car le comportement Avoid Front se trouve alors d sactiv Avoid Back D tecte la pr sence d un obstacle l arri re du robot L id e d une zone o le robot ralentit est reprise sauf que la limite ext rieure est fix e 30 cm Le comportement utilise les valeurs des capteurs infrarouges positionn s l arri re du robot 3 GP2D12 et CHAPITRE 5 CONCEPTION LOGICIELLE POUR LA PRISE DE DECISION Avant TR Couverture OW du laser Vitesse 100 6 t 42 Limite Limite Proximit int rieure ext rieure L mite int rieure Limite ext rieure a Zone de proximit b Vitesse maximale permise Figure 5 4 Vitesse maximale permise en fonction de la proximit des obstacles 99 2 GP2D120 illustr s la figure 3 7 Le ralentissement du robot est calcul de la m me facon que pour le comportement Avoid Front Teleop Envoi comme consigne les valeurs de vitesse re ues via les commandes de d place ment Le comportement permet galement de limiter les vitesses demand es en fonction des vitesses maximales sp cifi es par le bloc Ex cutif Il y a deux ensembles de vitesse lin aire rotation
6. 29 Une valeur est attribu e chaque case en fonction de la probabilit qu un obstacle emp che le robot de se d placer au centre de celle ci Dans le logiciel de navigation CARMEN 21 il est possible de visualiser ces valeurs avec des teintes de gris blanc aucun obstacle noir obstacle pr sent La figure 2 12 illustre un exemple d une carte CARMEN Les zones gris es sur le c t droit de la repr sentation sont des zones d incertitude qui ont t identifi es lors de la g n ration de la carte Les murs sont repr sent s par des lignes noires 2 G om trique L environnement est alors repr sent par une s rie de formes g om triques CHAPITRE 2 ROBOTS ET NAVIGATION DANS LES DOMICILES 18 Corridor e Pi ce l int rieur du LABORIUS Figure 2 12 Exemple d une carte CARMEN CHAPITRE 2 ROBOTS ET NAVIGATION DANS LES DOMICILES 19 3 3 0 3 TE D finition murs A 0 0 1 0 B 0 0 0 3 C 0 3 3 3 D 3 0 3 3 E 2 0 3 0 Valeurs en m tres oc 0 3 0 Figure 2 13 Cartographie g om trique simples comme des points ou des droites 11 18 La figure 2 13 est un exemple ot les obstacles sont d finis comme tant des lignes droites Le localisateur prend en compte les lectures des capteurs de proximit et il essaie de retirer les formes g om triques qui sont pr sentes autour du robot La position des diff rentes formes et la pos
7. Erreurs 100 mm sec et 12 sec avec lastique Pr cision du syst me NorthStar selon la fiche technique Intervalles des erreurs du NorthStar en laboratoire Comparatif du NorthStar et de CARMEN au point de r f rence Comparatif du NorthStar et de CARMEN en un point statique Tableau 4 10 Temps de recherche de trajets selon le mode en msec Tableau 4 11 R sum des valeurs moyennes pour les tests d odom trie Tableau 4 12 R sum des valeurs moyennes pour les tests du NorthStar Tableau 4 13 R sum des valeurs moyennes pour les tests de CARMEN Tableau 5 1 Correspondance entre l architecture d cisionnelle et l architecture lo gicielle vii LISTE DES TABLEAUX Tableau 5 2 Tableau 5 3 Tableau 5 4 Tableau 5 5 Tableau 5 6 Tableau 5 7 Tableau 5 8 Tableau 5 9 Temps de r action suite la r ception d une commande d arr t d ur gence valeurs en ms Temps de r action pour un changement de vitesse valeurs en ms Temps de r action suite une demande de trajet autonome Temps de r action pour l arr t complet partir de deux vitesses ini tiales Vi valeurs en msec Comparaison des distances d arr t pour le comportement Avoid Front Comparaison des distances d arr t pour le comportement Avoid Floor avec une v
8. nerg tique de deux heures est souhaitable pour les usages du robot Cette valeur repr sente le temps moyen d intervention avec le patient observ par les gens du r seau de la sant ainsi que d une marge de temps pour permettre au robot de retourner sa station de recharge Le robot doit avoir la possibilit d int grer un vid ophone ainsi qu une cam ra vid o pivotante pour permettre de communiquer avec le patient Le prototype du T l robot r sultant est illustr la figure 3 2 Il est construit m me la plate forme modulaire robotique AZIMUT 2 19 qui est illustr e la figure 3 3 Cette plate forme a t d velopp e par la compagnie RobotMotio et elle appartient au LABORIUS La CHAPITRE 3 CONCEPTION ELECTRONIQUE 25 Figure 3 2 Base du T l robot assembl e raison de ce choix de conception est que le temps de d veloppement de la plate forme tait r duit et que les composantes pr sentes sur AZIMUT 2 r pondaient aux besoins du projet T l robot reprend deux de ces roues de propulsion ainsi que le Chassis et ajoute un nouveau syst me de suspension boggie et des capteurs de proximit Un boggie est un ensemble de deux roues mont es sur un balancier situ d un c t et de l autre du robot chacun oscillant ind pendamment selon les obstacles rencontr s et les asp rit s du terrain Le module Ch ssis est constitu d un ordinateur Pentium M 1 7 Ghz avec 512 Moctets de RAM un disque dur de
9. Laser Mailbox a 30308 C 13140 13141 Laser Splitter 13014 13015 a 10104 10105 i Figure 5 7 Impl mentation du laser et CARMEN les deux valeurs soient r f renc es A un m me syst me de coordonn es Ce bloc retourne une liste de points X Y O suivre pour atteindre l objectif RobotInterfaceAA le m canisme de ce bloc est d termin en fonction de l utilisation du syst me en simulation ou avec le robot r el En effet pour faciliter les d veloppements un lien avec le logiciel Stage 30 est possible via MARIE Pour le robot r el les commandes sont achemin es aux microcontr leurs PIC18F via le bus CAN du robot Le type des ports de communication est le m me dans les deux cas Afin d tablir la correspondance entre l architecture d cisionnelle et la figure 5 6 le ta bleau 5 1 pr sente la correspondance entre les modules d cisionnels et les blocs de traitement Enfin le flux d information LocalisationCARMEN est d riv de la chaine de traitement pr sent e la figure 5 7 Dans cette chaine le programme Player 30 offre une interface qui permet de communiquer avec le laser Les 180 valeurs soit une par degr sont envoy es au aaCARMENLocalizer le localisateur de CARMEN TABLEAU 5 1 Correspondance entre l architecture d cisionnelle et l architecture logicielle Modules d cisionnels figure 5 2 Blocs de traitement logiciel figure 5 6 Localisation aafdLoc
10. R sum des valeurs moyennes pour les tests de CARMEN Erreur X mm Erreur Y mm D PomdesW exe 7 30 9 Point o le plafond n est pas somme 9 TH D autres alternatives comme l utilisation du vSLAM 28 15 22 devront tre analys es car ceci pourrait tre utilis pour compl menter CARMEN Cette m thode consiste re chercher des l ments distinctifs dans une image vid o Il est ensuite possible d estimer la position du robot en consid rant la position des diff rents rep res dans l image La fusion de diff rentes sources de localisation pourra alors tre envisag e afin d avoir un syst me flexible et fonctionnel dans diff rents types d environnements CHAPITRE 5 CONCEPTION LOGICIELLE POUR LA PRISE DE DECISION T l robot se veut tre une plate forme robotique de t l op ration Ind pendamment de son interface utilisateur la plate forme doit pouvoir recevoir des commandes d un ordinateur distant et lui retourner des informations e g flux vid o et audio donn es des capteurs Ces changes s effectuent par communication TCP d Internet suivant un protocole propre au T l robot 20 Cependant T l robot doit aussi faire preuve d autonomie d cisionnelle pour jouer de facon appropri e son r le dans le domicile L ensemble des fonctionnalit s identifi es pour T l robot sont pr sent es dans la liste suivante 1 Acheminer l tat des capteurs ainsi que de fourn
11. l pr sence La troisi me pr sente un robot de service domicile 2 1 1 Robots utilis s avec des personnes g es Cinq robots font partie de cette cat gorie 1 Nursebot Ce robot est congu pour op rer dans une r sidence pour personnes g es 23 26 figure 2 1 Le robot sert d escorte pour diriger les patients vers des endroits strat giques e g toilettes Il op re dans une zone limit e de l environnement pour une question de s curit Un syst me audio est aussi impl ment sur le robot pour les CHAPITRE 2 ROBOTS ET NAVIGATION DANS LES DOMICILES 4 1 Figure 2 1 Robot Nursebot en action interactions entre l op rateur et le patient Un module d aide cognitive e g rappel pour prendre un m dicament a t impl ment pour palier aux probl mes de perte de m moire chez les personnes g es Un syst me de reconnaissance vocale est galement utilis pour commander le robot Le robot p se 34 kg et a une hauteur de 1210 mm Il faut brancher le robot pour permettre la recharge des batteries La plate forme est dot e d un balayeur laser SICK PLS ainsi que de 16 sonars Ces senseurs sont utilis s par le syst me de navigation autonome du robot Care O Bot II Ce syst me montr la figure 2 2 regroupe trois cat gories de fonc tionnalit s 13 Deux d entre elles sont partag es par le pr sent projet ainsi que celui du Nursebot soient l aide la mobilit et l aide cognitive La troisi m
12. rateur Le lien de communication Ethernet sans fil sert l change bidirectionnel de flux au dio vid o et des commandes de navigation Le robot a une hauteur totale de 1700 mm et p se 91 kg La d tection d obstacles est faite par 24 capteurs infrarouges positionn s sur la base Le robot n a pas de comportement pour la navigation ou la recharge auto nome 2www neobotix de en products MP M470 html 3 www Intouch Health com CHAPITRE 2 ROBOTS ET NAVIGATION DANS LES DOMICILES 6 Figure 2 3 Robot Robotdoc en action 4 Wakamaru Ce robot a t d velopp par Mitsubishi avec pr cis ment comme but 4 l interaction avec des personnes g es figure 2 4 Un lien de communication Ethernet sans fil est utilis pour t l op rer le robot Wakamaru mesure un m tre de hauteur et p se 30 kg Il a une autonomie de deux heures et se dirige automatiquement vers sa station de recharge Le co t d achat de cette plate forme est de 14 250 US Ce robot est capable de se rep rer dans un domicile en analysant les images prises au plafond Il peut op rer de fa on autonome pour reproduire des trajets tablis l avance L identi fication et l vitement d obstacles est fait l aide de sonars et de senseurs infrarouges Plusieurs processeurs sont embarqu s sur le robot pour contr ler les interfaces vocales et le traitement d images La communication entre les modules est r alis e par une connection s rie Sa tol ranc
13. re autonome Le robot Roomba le premier et jusqu pr sent le seul succ s commercial de robots de service domicile vendu A plus de 2 millions d exemplaires partout dans le monde r sume bien les caract ristiques de fonctionnement de ce type de robot 1 Roomba Ce robot aspirateur pour les domiciles illustr a la figure 2 9 a couvre de mani re autonome une surface qui peut tre de dimension et de forme variable Autrement dit le robot est en mesure d op rer dans les diff rentes pi ces d une maison e g salon cuisine Il est aussi possible de le commander l aide d une t l commande L alimentation du robot est bas e sur une batterie NiMH de 12 V ce qui donne une autonomie de 2 heures en mode de fonctionnement normal Roomba est en mesure de se recharger de mani re autonome en autant que sa station de recharge se retrouve dans les limites de la surface de travail Ses capacit s de navigation autonomes sont limit es des d placements al atoires l int rieur de la surface de travail Il mesure 350 mm de diam tre 100 mm de haut et i1 a un poids de 3 kg Une caract ristique int ressante de ce syst me est qu il utilise des capteurs infrarouges pour d tecter la pr sence d un escalier La figure 2 9 b montre la position des diff rents capteurs Ceux ci pointent directement vers le sol et lorsque la distance retourn e par ces capteurs est trop grande le robot identifie une situation de faute Des in
14. trique Probl matique de la table Robots utilis s pour les tests domicile Base du T l robot assembl e Robot AZIMUT 2 rs Sch ma lectrique pour l alimentation du T l robot Alimentation des diff rents modules ajout s sur la base de propulsion Liens de communication entre les diff rents p riph riques Position des capteurs infrarouges sur le robot Position des capteurs infrarouges sur le robot l chelle R ponse du sonar SRF10 Zones de d tection offertes par les sonars l chelle Oo N N O Ct A ND Bee NN Oo N 4 23 25 26 29 30 LISTE DES FIGURES vi Figure 4 1 Carte de l environnement d op ration 38 Figure 4 2 Zone couverte par le NorthStar le graphique est invers verticalement 47 Figure 4 3 Division en cellule de l environnement d exp rimentation 50 Figure 4 4 Arbre d adjacence pour l environnement d exp rimentation 51 Figure 5 1 Exemple d architecture hi rarchique hybride appliqu e la navigation 56 Figure 5 2 Architecture d cisionnelle utilis e sur T l robot 57 Figure 5 3 Impl mentation du module Comportements 58 Figure 5 4 Vitesse maximale permise en fonction de la proximit des obstacles 59 Figure 5 5 Sch ma
15. 12 Exemples de suivi de trajectoires en mode autonome CONCLUSION Le pr sent ouvrage explique la mise en place des aspects lectroniques et d cisionnels du premier prototype de plate forme de t l pr sence baptis e T l robot L accent est mis sur l int gration des composants n cessaires pour mettre en uvre une premi re it ration des fonctionnalit s souhait es sur la plate forme L interface lectrique et lectronique du T l robot avec sa base de locomotion est fonctionnelle et caract ris e Les performances des capteurs de proximit nous permettent d tablir un comportement d vitement d obstacle simple qui permet de faire ralentir la vitesse longitudinale du T l robot en fonction de la proximit des obstacles Les performances en localisation par odom trie NorthStar et CAR MEN d montrent la sup riorit de cette derni re par rapport aux autres approches avec des performances beaucoup plus stables qu avec les autres m thodes La pr cision de l odom trie est li e la qualit du contact entre la surface de la roue et le sol T l robot est en mesure de se d placer dans des environnements r els de mani re autonome g n rant des trajectoires dans des environnements connus ex cutant les commandes d un utilisateur distance s arr tant devant les obstacles et sans tomber dans des trous L autonomie nerg tique d montr e du robot est de trois heures ce qui r pond aux exigences fix es T l rob
16. 60 Goctets et il fonctionne sous le syst me d exploitation Linux Cet ordinateur sert la mise en uvre du logiciel de contr le de la plate forme et s interface avec les diff rents sous syst mes du robot e g distribution de l nergie senseurs actionneurs via des contr leurs d di s Ces contr leurs sont des microcontr leurs PIC18F de Microchip et interagissent avec le module de traitement par un bus de communication CAN Pour la plate forme T l robot deux contr leurs pour les roues de propulsion d j pr sents sur AZIMUT 2 sont utilis s Une roue de propulsion est constitu e d un moteur install m me la roue Les encodeurs sont positionn s directement sur l arbre d entra nement du CHAPITRE 3 CONCEPTION ELECTRONIQUE 26 Figure 3 3 Robot AZIMUT 2 moteur l interne du moteur roue se trouve un syst me d engrenage qui divise par quatre la vitesse de rotation de la roue La pr cision des encodeurs est de 36000 pulses par tour Avec un diam tre de roue de 161 mm le r solution th orique en terme de distance est de 0 014 mm En pratique il est difficile de faire un test pour faire une validation pointue de cette valeur de pr cision Cependant des tests sommaires ont permis de voir que le nombre de pulses lus lorsque la roue compl te une r volution est bel et bien dans les environs de 36000 Une commande de vitesse envoy e au contr leur d un moteur de propulsion est exprim e en termes de puls
17. Sonars SRF 10 4 Carte d interface des capteurs de proximit avant Interface IR 8 Carte d interface des capteurs de 2c proximit Lie CAN Carte d interface des encodeurs de suspension Figure 3 6 Liens de communication entre les diff rents p riph riques mesur e manuellement Les performances des capteurs infrarouges GP2D12 et GP2D120 respectent les sp cifica tions du manufacturier au niveau des distances de d tection Pour le GP2D12 la distance de d tection se situe entre 100 mm et 800 mm et elle est de 40 mm 300 mm pour le GP2D120 Dans les deux cas l ouverture du c ne de d tection est d environ 4 La r ponse du capteur est une tension analogique et elle n est pas lin aire Il faut mettre en place une table d interpolation pour permettre d obtenir la distance de l obstacle L unit de mesure utilis e est le mm La pr cision est de l ordre de 10 mm dans la premi re moiti de la zone de d tection et elle passe environ 20 mm dans la deuxi me La port e et l ouverture du c ne de d tection des capteurs vitent le probl me de chevauchement entre eux Il est ainsi possible de faire une lecture simultan e de ceux ci Bien que les zones couvertes par ces capteurs ne permettent pas de faire un comportement d vitement d obstacle volu il est possible d utiliser ces valeurs pour ralentir le robot en fonction de la proximit des obstacles Le probl me
18. TABLEAU 4 5 Erreurs 100 mm sec et 12 sec avec lastique X Gam Y mm X mm Y Gun 82 4 891 8 5 45 3 977 69 6 9 95 Ecart type 28 520 1 438 3 940 2 953 0 374 049 0 410 0 266 qui r pond au rapport de 1 4 et la distance maximale r pond au 2 4 TABLEAU 4 6 Pr cision du syst me NorthStar selon la fiche technique De plus une inclinaison du d tecteur peut occasionner des variations de 150 mm et de 2 par degr d inclinaison Des tests sommaires dans les domiciles ont permis de confirmer ces valeurs Le systeme demande une p riode de 100 ms afin de calculer la position du robot X Y l int rieur de la zone de d tection Jusqu dix zones distinctes peuvent tre d finies en pla ant plusieurs projecteurs pour couvrir une plus grande r gion L interface de communication entre le T l robot et le syst me NorthStar est faite via un port s rie RS 232 1200 baud En consid rant les d lais de transmission des messages et le temps de lecture du capteur le temps de r ponse minimal est de 400 msec Des tests sommaires ont t faits A des endroits diff rents dans le LABORIUS pour voir si les performances du NorthStar taient constantes partout Il a t possible d observer que les estimations taient plus pr cises lorsque les signaux infrarouges taient projet s sur CHAPITRE 4 LOCALISATION ET PLANIFICATION DE TRAJECTOIRES 47 Detector Has a Square
19. bloc du module ex cutif 60 Figure 5 6 Impl mentation sous MARIE de l architecture d cisionnelle de T l robot 62 Figure 5 7 Impl mentation du laser et CARMEN 64 Figure 5 8 D placements de la plate forme sur la planche 71 Figure 5 9 Position du T l robot par rapport la trajectoire optimale 73 Figure 5 10 Environnement de test simplifi 74 Figure 5 11 Fichier de d finition utilis pour la preuve de fonctionnement 74 Figure 5 12 Exemples de suivi de trajectoires en mode autonome 75 LISTE DES TABLEAUX Tableau 2 1 Tableau 2 2 Tableau 2 3 Tableau 3 1 Tableau 4 1 Tableau 4 2 Tableau 4 3 Tableau 4 4 Tableau 4 5 Tableau 4 6 Tableau 4 7 Tableau 4 8 Tableau 4 9 R sum des diff rentes caract ristiques informatiques des syst mes embarqu s Sors Avantages et d savantages des diff rentes m thodes de localisation absolue 222 onn Avantages et inconv nients des diff rentes m thodes de cartographie Consommation nerg tique des diff rents syst mes Exactitude de l odom trie en ligne droite pour les robots sur diff rentes distances Erreur sur l estimation odom trique apr s une r volution Erreurs 250 mm sec et 28 sec sans lastique Erreurs 250 mm sec et 28 sec avec lastique
20. cibles de la plate forme Le but est de permettre aux personnes g es de se sentir plus en s curit en ayant la possibilit d interagir avec des professionnels alors qu ils sont la maison La qualit du lien audio vid o les dimensions du syst me ainsi que la facilit d op ration ont t identifi s comme points importants lors du d veloppement du prototype Il faut galement s assurer d op rer de mani re s curitaire de facon ne pas mettre en danger les personnes pr sentes dans le domicile Ces travaux ont confirm le besoin de d velopper une nouvelle plate forme pour r pondre aux exigences de l environnement d op ration et de l interface op rateur Parmi les observations tir es de ces tudes les points suivants touchent directement la conception lectronique du prototype de ce nouveau robot baptis T l robot Une propulsion de type diff rentielle soit une roue de propulsion ind pendante sur chaque c t du robot permet des d placements appropri s dans le domicile Ce mode de propul sion n cessite peu de composantes m caniques et il permet d utiliser des algorithmes de CHAPITRE 3 CONCEPTION ELECTRONIQUE 24 contr le simples Une propulsion de type diff rentielle est pr f rable une propulsion de type omnidirectionnelle pour ne permettre que des d placements dans la direction o l image de la cam ra est disponible Un syst me de d tection des obstacles est important car il est d
21. consiste valuer les erreurs de la localisation des vitesses plus basses Les r sultats pr sent s au tableau 4 5 montrent des erreurs plus grandes de l odom trie avec les vitesses plus faibles La pr cision des mesures des encodeurs de roues basse vitesse en est la cause La vitesse de 12 sec est la valeur minimale laquelle la roue de propulsion peut tourn e Des petites erreurs peuvent donc tre introduites dans le calcul d odom trie s il y a des petites oscillations durant la rotation 4 1 3 Syst me de balises infrarouges NorthStar Ce syst me est compos d un projecteur plac dans une zone couvrir et projetant des signaux infrarouges au plafond de la pi ce Un d tecteur capable d identifier les signaux infrarouges est plac sur le robot et le dispositif est en mesure de se rep rer dans la zone partir de ces signaux Comme le montre la figure 4 2 les signaux infrarouges doivent se trouver dans le champ de perception du d tecteur L tendue de la zone est fonction de la distance H entre le d tecteur et le plafond plus H est grand plus la zone couverte W est grande Le manufacturier recommande que le rapport W H soit inf rieur ou gal 1 4 pour avoir les performances optimales Un rapport de 2 4 donne la distance de d tection maximale Les sp cifications techniques sont donn es au tableau 4 6 La distance recommand e est celle CHAPITRE 4 LOCALISATION ET PLANIFICATION DE TRAJECTOIRES 46
22. est que la perception des obstacles est faite simplement sur quelques points Il est donc difficile de repr senter la forme des obstacles et de planifier une trajectoire qui permet de les contourner La figure 3 7 montre la couverture qui est fournie par ces capteurs sur le contour du robot Les lignes droites illustrent la direction du champ de CHAPITRE 3 CONCEPTION ELECTRONIQUE 32 d tection des diff rents capteurs La fl che noire indique l avant du robot Il faut consid rer que la zone couverte par les capteurs infrarouges est tr s limit e et il est possible pour le robot de percuter un obstacle sans m me l avoir d tect Les fl ches pointill es indiquent la position des capteurs infrarouges qui sont orient s vers le sol La figure 3 8 donne une id e de la distance couverte par les diff rents capteurs infrarouges autour du robot Les distances utilis es sont les valeurs maximales de d tection des diff rents capteurs 4 GP2D120 4 foro f GP2D12 VGP2D120XGP2D12 Figure 3 7 Position des capteurs infrarouges sur le robot La zone de d tection des sonars illustr e la figure 3 9 montre que l tendue de la zone de d tection varie en fonction de la distance des objets Des tests exp rimentaux ont permis de d terminer que la zone qui couvre 30 se trouve une distance d environ 1 m Le probl me est qu courte distance moins de 1 m la zone de d tection du sonar peut s tendre jusqu
23. le localisateur NorthStar et le laser Un second syst me de gestion d alimentation sert donc alimenter ces nouveaux syst mes avec comme objectif de pouvoir faire des tests avec les syst mes ajout s sans avoir le module AZIMUT 2 mont sur la base de propulsion du T l robot Ce module est une copie conforme du module d AZIMUT 2 sauf que les informations au niveau de la tension des batteries de la puissance instantan e et du courant ne sont pas disponibles La figure 3 5 montre le branchement des diff rents syst mes pr sents sur le T l robot Les l ments suivants taient actifs sur le robot lors d un premier test de validation 1 Module AZIMUT 2 2 Senseurs de proximit 3 Localisateur infrarouge NorthStar 4 Capteur laser SICK LMS200 L autonomie observ e fut de trois heures ce qui porte 4 croire que l autonomie recherch e est atteinte pour des conditions d op ration normales Durant les tests le robot tait t l op r et la vitesse maximale de d placement tait de 250 mm sec Ce qui donne une estimation de CHAPITRE 3 CONCEPTION ELECTRONIQUE 30 Laser NorthStar R gulateur 12V JV Batt 1 Batt 2 Base de 24V Vid ophone 24V externe v toggle h CareStation Sonars SRF 10 4 RI TIACE R gulateur SV capteurs Interface IR 8 avant Interface SV capteurs Interface IR 8 arriere Interface encodeurs de suspension Figure 3 5 Alimentation des diff rents modules ajout s
24. peu de plate formes robotiques arrivent naviguer de mani re autonome dans des milieux de la vie courante Une telle capacit demande au robot d tre en mesure de se localiser dans l environnement d op ration et de naviguer avec l aide de cette repr sentation des lieux tout en vitant les obstacles se pr sentant sur son chemin Les sous sections suivantes pr sentent sommairement les fa ons pour y arriver 2 2 1 M thodes de localisation Les m thodes de localisation peuvent tre divis es en trois cat gories 11 relative abso lue et mixte Les m thodes de localisation relative consistent prendre en consid ration l ensemble des d placements effectu s par la plate forme par rapport un point de d part Aucune r f rence l environnement ext rieur n est utilis e pour la localisation Une tech nique possible est d utiliser des encodeurs de roues pour mesurer les d placements effectu s par odom trie Une difficult est qu une compensation doit tre effectu e lors des rotations de la plate forme car la roue ext rieure tourne alors plus que la roue int rieure Les roues peuvent aussi glisser ce qui vient fausser les lectures Une autre technique consiste utiliser des capteurs inertiels acc l rom tre gyroscope 5 et de faire l int gration des diff rentes valeurs lues pour valuer le d placement effectu Les deux techniques sont vuln rables aux erreurs de pr cision pr sentes sur chaque lecture d
25. 0g D ww mer 10q01919 oo ceg 0 In9lIO p 94 OTOT 1991 o eA1oqug wur 0001 6 wu mary m P Y G t om 091 op eA1oqu L wu mou ge men mem s90Ue4SIP sequoJ9gIp Ins s30qo1 s Mod outo1p JUBI ue orrjouropo ep PNHPLXY p OWATAVL Z IOOUOLJ z Ieauotq CHAPITRE 4 LOCALISATION ET PLANIFICATION DE TRAJECTOIRES 43 Le second test sert caract riser l erreur sur l orientation du robot une vitesse de rotation de 12 sec et de mesurer la diff rence entre l orientation initiale et l orientation finale suite une r volution compl te de la plate forme Cette vitesse est la valeur minimale qui permet au robot Pioneer 2 de tourner une vitesse constante tout au long de sa r volution Le tableau 4 2 pr sente les r sultats observ s avec deux s ries de mesures obtenues par le robot Pioneer 2 La mesure P2OS est celle retourn e directement par le microcontr leur du robot Pioneer 2 tandis que la mesure corrig e est d riv e des vitesses des roues fournies par le P208 comme d crit par les relations 4 2 4 6 avec T 340 mm pour le robot Pioneer 2 Les r sultats obtenus en utilisant ces formules sont grandement am lior s Toutefois ce n est pas suffisant pour obtenir de meilleures performances que celles observ es sur T l robot Les param tres utilis s pour le T l robot sont T 490 mm et le rayon de la roue 79 5 mm TABLEAU 4 2 Erreur sur l estimation odom tr
26. 1931040 89 1 SIVUOS SISAIP xnetmrur sop suep uorje1od 3ueureddo aAop ap eurmg oje q SUOT32U0 000 q eureuo1 y 000 aN aN S6T I seSnoxexu ZHW OOP 9reosx Lorg bt sreuog Tero1eururoo je erisnpur nanru us uorjyerod eouv roAdmso o T suorpuog 0001 4 xnoqoaN aN 8 0 OOP T X X Kasel ZHN 008 IIId og 0 m 9 om 10g O S Se rrurop sa suep uorjerzod souuosiod op Mg suorjouo T 086 4 eqmisor AN G OT OSE T sreuog ON euydyud oce 1 qajyudy Se rorurop so suep uorye1od oArjrudoo pry sua so 094V UOTJICIOUI suorpuog seSnoreipu uusiqnsqu OGcCYT GN 0 0001 4 sreuog ON newem Jorpeqidsoy namrur ue uorergdo oouoso1do o A SOOottm0d qpeegr qponojur aN ON 16 004T q sosnoreru aN oopjoqoy SSTIIOP s suep uorjexod sonbrjsourop seqoe r eArmusoo opry ojrrqour ep e Opry suorjouojd 9G4 Y sinogdniroqu x1Joqoany aN aN OST OLP I X X SrTeuog ZHW 008 IIId og Q ere Out loser THOg O 18 s998e souuosiod mod eouoprsoi oun suep uorjexod eAtrgmu 200 apry ojr rqour e e pry SUOIJOUO nd oqesin ON ON pE OTSE 4 rose aN We 1oqesmw Sng s mm y Sx urur eurouojne eurouojgne erurouoqn v suorsuour q esreyooy uorjeStAeNI SE EE SE sonbrequis souro1s s sop sonbryeurioqut sanbt st19998109 sayuoleyip sop sunsay US QV IG VIL CHAPITRE 2 ROBOTS ET NAVIGATION DANS LES DOMICILES 13 2 2 Navigation autonome Comme le montre le tableau 2 1
27. 5 CONCEPTION LOGICIELLE POUR LA PRISE DE DECISION 5 1 Architecture d cisionnelle 5 1 1 Module Comportements 5 1 2 Module Ex cutif 5 2 Architecture logicielle 5 3 Performances du syst me 5 3 1 Temps de r action de l architecture logicielle 5 3 2 Preuves de fonctionnement des comportements moteurs 5 3 83 Test de validation du suivi de trajet autonome BIBLIOGRAPHIE iv 55 56 97 60 61 65 65 66 71 78 LISTE DES FIGURES Figure 2 1 Figure 2 2 Figure 2 3 Figure 2 4 Figure 2 5 Figure 2 6 Figure 2 7 Figure 2 8 Figure 2 9 Figure 2 10 Figure 2 11 Figure 2 12 Figure 2 13 Figure 2 14 Figure 3 1 Figure 3 2 Figure 3 3 Figure 3 4 Figure 3 5 Figure 3 6 Figure 3 7 Figure 3 8 Figure 3 9 Figure 3 10 Robot Nursebot en action Robot Care O Bot Il en action Robot Robotdoc en action Robot Wakamaru Robot ApriAlpha Robot Secur O Bot Robot Garcia MD Robot Coworker Robot Roomba images tir es du manuel d utilisation du robot Sch ma de fonctionnement du syst me NorthStar Diff rences au niveau des cartes Exemple d une carte CARMEN Cartographie g om
28. 60 Les zones de d tection des sonars se chevauchent ce qui fait que les lectures peuvent tre influenc es par le crosstalk si plusieurs sonars sont activ s simultan ment La solution ce probl me est d activer les sonars un la fois de mani re s quentielle A longue port e la distance maximale de d tection est de 11 m En consid rant que la vitesse du son est de 343 m s il faut un d lai de 65 msec pour que l cho revienne au capteur Si l on CHAPITRE 3 CONCEPTION ELECTRONIQUE 33 Figure 3 8 Position des capteurs infrarouges sur le robot l chelle consid re que le T l robot a quatre sonars on obtiendrait un ensemble de valeurs rafraichies chaque 260 ms soit 3 85 Hz Cependant l objectif est d avoir un taux de rafra chissement plus rapide de l ordre de 10 Hz La m thode utilis e est de diminu e la puissance d mission des sonars ce qui a pour effet de diminuer la distance de d tection Cette option est rendue disponible par les contr leurs d di s de ces syst mes La distance effective passe environ 1 m ce qui fait passer environ 6 5 msec le d lai de retour de l cho au capteur La figure 3 10 montre la couverture qui est disponible sur le T l robot partir de ces zones il est possible de d terminer une trajectoire qui permet au robot de ne pas se diriger directement vers l obstacle Les sonars rendent ainsi possible la mise en uvre de ce type CHAPITRE 3 CO
29. CATION DE TRAJECTOIRES 51 KA u 1 16 15 24 3 28 m PADS C1 0 M 2 je 19 12 je 13 UT Land 22 jM 8 117 Figure 4 4 Arbre d adjacence pour l environnement d exp rimentation CHAPITRE 4 LOCALISATION ET PLANIFICATION DE TRAJECTOIRES 52 pour l tablissement de trajectoires Pour d terminer un trajet il suffit d identifier la cellule o se trouve l objectif X Y et celle o se trouve pr sentement le robot Un algorithme de recherche vient alors d terminer la s quence des cellules suivre pour minimiser la dis tance parcourir Nous avons choisi d utiliser un algorithme A 7 avec trois heuristiques d valuation Greedy utilise la distance entre les centres de la cellule de d part et de la cellule de destination m me si ces cellules ne sont pas adjacentes Dijkstra utilise la distance entre les centres des cellules sur l ensemble de la trajectoire Mixte recherche qui regroupe les deux crit res pr c dents Un test a t fait pour voir l impact des diff rentes heuristiques sur le temps de traitement de l algorithme Les tests ont t effectu s sur le robot Pioneer 2 qui a un ordinateur embarqu plus lent que celui utilis sur le T l robot La raison est que les diff rences entre les m thodes sont alors accentu es dans cette configuration Le tableau 4 10 montre les r sultats pour une recherche o le robot est dans la cellule C4 et l objectif est dans la C13 L
30. Dans le cas du comportement Avoid Front la limite ext rieure est plac e 500 mm et la limite CHAPITRE 5 CONCEPTION LOGICIELLE POUR LA PRISE DE DECISION 68 TABLEAU 5 5 Temps de r action pour l arr t complet partir de deux vitesses initiales Vi valeurs en msec Test D lai Vi 100mm sec D lai Vi 250mm sec Coefficient de variation int rieure amp 100 mm Ces valeurs sont mesur es par rapport au chassis du robot Ces valeurs ont t s lectionn es suite des tests d op ration dans l environnement de test Elles sont donc empiriques et elles pourront devoir tre chang es en fonction de la vitesse d op ration du robot Les tests ont t effectu s trois vitesses diff rentes 100 250 et 350 mm sec pour observer les limites du syst me Le tableau 5 6 montre les valeurs moyennes obtenues suite dix essais pour chacune des vitesses Un fait noter dans ce tableau est que les distances d arr t sont sup rieures 100 mm Ceci est reli l algorithme utilis pour le contr le de vitesse en fonction de la distance des obstacles Quand l obstacle est trop pr s la consigne de vitesse qui est envoy e aux contr leurs des moteurs est trop faible pour que les moteurs tournent La preuve est que la distance d arr t est plus importante lorsque la vitesse lin aire est plus faible car la consigne minimale est atteinte plus rapidement TABLEAU 5 6 Comparaison des distan
31. E UNIVERSIT DE SHERBROOKE Facult de g nie G nie lectrique et g nie informatique Conception lectronique et informatique d un robot mobile pour usage dans un environnement domiciliaire M moire de ma trise s sciences appliqu es Sp cialit g nie lectrique Richard CLOUTIER Sherbrooke Qu bec Canada 05 2007 1v 1420 Bai Library and Archives Canada Published Heritage Branch 395 Wellington Street Ottawa ON K1A ON4 Canada NOTICE The author has granted a non exclusive license allowing Library and Archives Canada to reproduce publish archive preserve conserve communicate to the public by telecommunication or on the Internet loan distribute and sell theses worldwide for commercial or non commercial purposes in microform paper electronic and or any other formats The author retains copyright ownership and moral rights in this thesis Neither the thesis nor substantial extracts from it may be printed or otherwise reproduced without the author s permission Bibliotheque et Archives Canada Direction du Patrimoine de l dition 395 rue Wellington Ottawa ON K1A ON4 Canada Your file Votre r f rence ISBN 978 0 494 37849 6 Our file Notre r f rence ISBN 978 0 494 37849 6 AVIS L auteur a accord une licence non exclusive permettant la Biblioth que et Archives Canada de reproduire publier archiver sauvegarder conserver transmettre au public par t l c
32. EN est positionn une valeur constante et diff rente de 0 0 0 position qui correspond l initialisation du point de r f rence pour l odom trie De le point de d part du robot correspond au point 0 0 0 Il faut donc ajouter les points de r f rence Xo Yo de la carte utilis e par CARMEN celles de l odom trie pour positionner le robot par rapport cette carte Une com pensation par rapport Oo n est pas utilis e car la position de d part du robot pour les tests ainsi que celle utilis e pour la g n ration de la carte tait la m me Ceci fait que l orientation tait contr l e en tout temps ce qui enl ve le besoin de compenser ce param tre pour cette phase de d veloppement 4 Combinaison de m thodes Il serait possible de combiner l odom trie NorthStar et CARMEN en impl mentant les algorithmes appropri s dans ce module Des tests ont t faits au niveau de la combinaison du NorthStar et de odom trie pour prouver le principe Les r sultats ne sont pas pr sent s dans ce m moire car les erreurs sont dues au probl me de pr cision du NorthStar aafdPathPlanner c est dans ce bloc que la planification de trajet s effectue en prenant compte de la position estim e du robot et de la position de l objectif Il est important que CHAPITRE 5 CONCEPTION LOGICIELLE POUR LA PRISE DE DECISION 64 aaCARMEN c 20903 CARMENLocalization a Localizer Mailbox 10106 10107 13138 13139
33. FOV E Detector Blinking Lights SM Figure 4 2 Zone couverte par le NorthStar le graphique est invers verticalement une surface de plafond lisse Des tests faits par le fournisseur de pi ces robotiques Acro name confirment nos observations par rapport l influence de la surface du plafond sur les r sultats Par exemple le laboratoire est dot d un plafond suspendu avec des lumi res tubes fluorescents et des bouches d a ration qui provoquent des diff rences au niveau de la hauteur du plafond Le tableau 4 7 montre les performances observ es en laboratoire avec une valeur de H 1800 mm ce qui revient dire que la distance recommand e est inf rieure 1 26 m de chaque c t du point de r f rence La distance maximale est de 2 26 m La zone de test se trouve sous une partie de plafond suspendu qui ne comporte pas de luminaire ou de bouches d a ration directement au dessus du r cepteur Les valeurs pr sent es sont la diff rence donn e entre la lecture du NorthStar et de la distance r elle qui a t mesur e manuellement entre la position du r cepteur et le point de r f rence 0 0 de la zone de r p rage Des mesures ont t prises chaque 100 mm sur une distance de 2 0 m pour un total de vingt points TABLEAU 4 7 Intervalles des erreurs du NorthStar en laboratoire Position om EE Angle T Une s rie de tests ex cutant une trajectoire en trois points plac s en forme de tri
34. J F Laplante M A Legault P Moisan A Ponchon C Raievsky M A Roux T Salter J M Valin S Caron P Masson F Kabanza et M Lauria A brochette of socially interactive robots Proceedings American Association for Artificial Intelligence Conference pages 1733 1734 2005 20 F Michaud et E Robichaud Sharing charging stations for long term activity of autono mous robots Proceedings IEEE RSJ International Conference on Intellignet Robots and Systems pages 2748 2751 2002 21 M Montemerlo N Roy et S Thrun Perspectives on standardization in mobile robot programming The Carnegie Mellon navigation CARMEN toolkit Proceedings of the Conference on Intelligent Robots and Systems IROS pages 2436 2441 2003 22 I Nourbakhsh Ju Bobenage S Grange R Lutz R Meyer et A Soto An affective mobile robot educator with a full time job Artificial Intelligence 14 1 2 95 124 1999 23 M Pollack Pearl Mobile robotic assistant for the elderly AAAI Workshop on Auto mation as Eldercare 2002 24 B Nissanka Priyantha Anit Chakraborty et H Balakrishnan The Cricket location support system Proceedings of the Sixth Annual ACM International Conference on Mobile Computing and Networking MOBICOM pages 32 43 2000 25 M Rotermann Utilisation des services de sant par les personnes g es Suppl ment aux Rapports sur la sant 16 35 50 2006 26 N Roy G Baltus D Fox F Gemperle J Goetz T H
35. NCEPTION ELECTRONIQUE 34 Figure 3 9 R ponse du sonar SRF10 d algorithmes car la couverture est quasi compl te devant le robot Toutefois en consid rant la valeur retourn e par un sonar et la largeur de son c ne de d tection il est impossible de connaitre pr cis ment la position de l obstacle par rapport au robot Il est enfin important de noter l existence de zones mortes o les sonars ne peuvent d tecter les obstacles Elles se trouvent courte port e entre les capteurs zones blanches dans la figure 3 10 Ceci explique pourquoi des capteurs infrarouges ont t positionn s ces endroits Six capteurs infrarouges GP2D120 sont aussi utilis s pour d tecter la pr sence de trous au niveau du plancher Il y en a un de chaque c t des roues de propulsion un autre l avant du ch ssis et le dernier l arri re La position des capteurs est identifi e par les fl ches pointill es dans la figure 3 7 Il est ainsi possible au robot de percevoir une situation dangereuse comme quand le robot approche d une cage d escalier ou bien quand l inclinaison du robot est trop importante Notons toutefois que la couverture mise en place sur le T l robot est diff rente de celle de Roomba voir figure 2 9 Nous avons choisi de mettre des capteurs pr s des roues de propulsion pour s assurer de toujours garder les deux roues sur le plancher Les capteurs positionn s l avant et l arri re du robot reprennent quant eux
36. PITRE 5 CONCEPTION LOGICIELLE POUR LA PRISE DE DECISION 70 TABLEAU 5 7 Comparaison des distances d arr t pour le comportement Avoid Floor avec une vitesse initiale de 250 mm sec Distance moyenne de l obstacle mm Ecart type Coefficient de variation Un test de fonctionnement pour le comportement Goto consiste mesurer la distance laquelle le robot arr te par rapport la position du point atteindre Le tableau 5 8 donne la position estim e par CARMEN o le robot s arr te en fonction du but atteindre Diff rentes vitesses de d placement et de surfaces de roulement sur les roues du T l robot ont t test es Les distances donn es sont une moyenne sur dix essais La distance utilis e pour consid rer le point comme tant atteint est de 200 mm Il est possible de confirmer que le comportement Goto fonctionne selon les sp cifications car dans tous les cas la distance entre la position de l objectif et celle o le robot s est arr t est pr s de la distance sp cifi e TABLEAU 5 8 Distance entre le point d arr t du robot et l objectif Vitesse lin aire Vitesse de rotation Elastiques Distance moyenne PRE x 220 Ecart type Le dernier test consiste analyser la trajectoire qui est suivie par le robot par rapport au trajet optimal en pointill dans un environnement d op ration r el Le trajet consiste at tei
37. a pr sence de variations au niveau du temps est reli e au fait que le syst me ne fonctionne pas de mani re synchrone Il y a des processus reli s au syst me d exploitation qui sont plus prioritaires et qui viennent prendre du temps de traitement au besoin Il est quand m me possible de voir qu en moyenne les performances de la m thode mixte sont sup rieures aux deux autres La diff rence entre les diff rentes m thodes serait accentu e avec un environnement plus complexe plus de cellules Dans l ensemble des cas le trajet r sultant est identique et ad quat 4 3 Discussion Pour ce qui est de la localisation il est possible de voir qu il n y a pas de syst me parfait L odom trie ne peut tre utilis e seule car la pr cision de ce module diminue avec le temps Le tableau 4 11 r sume les r sultats pour les tests diff rentes vitesses sur un m me trajet Cette m thode est sensible au type de surface du plancher Si la surface offre peu d adh rence l erreur sera plus grande car les roues vont tourner dans le vide CHAPITRE 4 LOCALISATION ET PLANIFICATION DE TRAJECTOIRES 53 TABLEAU 4 10 Temps de recherche de trajets selon le mode en msec i 7 10 Moyenne SE Coefficient de variation TABLEAU 4 11 R sum des valeurs moyennes pour les tests d odom trie 250 mm sec 28 see lastique 200 mm sec 19 sec lastique Le syst me NorthStar ne peut tre utilis s
38. a prise de d cision autonome que celui de l ex cution de com mandes de t l op ration Ce prototype s av re donc tre un excellent point de d part sur lequel des am liorations pourront tre apport es quant l vitement d obstacles et la reprise de trajectoire pour la tenue de tests dans de vrais domiciles REMERCIEMENTS Je tiens remercier mon directeur de recherche M Fran ois Michaud pour son soutien tant au niveau acad mique que moral ainsi que pour la confiance qu il m a demontr e tout au long du projet Ce support fut tr s appr ci Je tiens galement remercier mon co directeur Michel Lauria ainsi que mes confr res qui ont travaill sur le projet T l Robot Daniel Labont et Marc Andr Roux pour leur assistance et leur soutien Je veux aussi remercier les autres membres du LABORIUS qui ont t impliqu s de pr s ou de loin dans ce projet Le support de Dominic L tourneau Carle C t Cl ment Ra vesky et des membres de RoboMotio inc ont t particuli rement importants pour la r ussite de ce projet Un remerciement sp cial doit tre fait ric Marquis et Marise Viens qui ont toujours t pr sents pour m pauler et me donner de judicieux conseils Merci mes parents qui m ont toujours soutenu et encourag tout au long de mes tudes et ce m me dans les moments difficiles La confiance qu ils m ont donn e a t une source de motivation importante pour ma r ussite Enfin un mer
39. a seule diff rence dans l architecture est le bloc RobotInterfaceAA qui active les moteurs du T l robot ou dans l autre cas donne les commandes de d placement au robot simul Il est donc possible de r aliser ces tests en simulation uniquement L environnement de test propos est illustr la figure 5 10 Cet environnement est simple et il est divis en quatre cellules distinctes Les traits pointill s sont utilis s pour montrer les fronti res entre les cellules L arbre d adjacence des cellules est galement montr dans cette figure Un exemple de d finition de l environnement est montr dans la figure 5 11 Les vi tesses maximales qui sont utilis es par le robot lors de ses d placements sont de 250 mm sec et 28 sec et la tol rance utilis e pour consid rer l objectif vis comme tant atteint est de 100 mm La diminution de cette contrainte par rapport aux tests avec T l robot est tout simplement d au fait que les dimensions de l environnement simul sont plus petites que celles de l environnement r el CHAPITRE 5 CONCEPTION LOGICIELLE POUR LA PRISE DE DECISION 73 Exemple de trajectoire suivis par le robot 5000 434 ED w 3000 00 gt 25 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 X Figure 5 9 Position du T l robot par rapport la trajectoire optimale La figure 5 12 montre le r sultat de la g n ration et du suivi de deux trajectoires pour un m me objectif qui s
40. ailbox la 90904 12004 12008 T 13008 13009 13120 13121 30206 DataPower 30104 al Bumper Splitter a C Bumper Mailbox ja 30306 13010 13011 12122 13123 UT DalaBumper 30105 a Motor Splitter a 30307 13012 130013 CommandMotor Figure 5 6 Impl mentation sous MARIE de l architecture d cisionnelle de T l robot CHAPITRE 5 CONCEPTION LOGICIELLE POUR LA PRISE DE DECISION 63 utilisateur et le robot Il est r gi selon le protocole d crit en 20 L change d information se fait sous format texte afin de faciliter le d verminage et les ajustements au protocole Les commandes de l utilisateur sont interpr t es seulement si le message re u est complet et valide Le crit re est qu il faut que le num ro d identification du message soit le m me au d but et la fin de la s quence de commande aafdTRDecisionNetwork ce bloc renferme le bloc Ex cutif ainsi que les comportements pr sent s la section 5 1 1 Les interactions entre les diff rents modules ainsi que la prio risation des sorties des comportements sont g r es dans ce bloc aafdLocalize ce bloc localise le robot dans son environnement en fonction des informations provenant de diff rents capteurs Diff rentes m thodes sont possibles 1 Odom trie uniquement voir section 4 1 2 2 NorthStar uniquement voir section 4 1 3 3 CARMEN voir section 4 1 1 Notons que le point de r f rence Xo Y 0 90 de la carte utilis e par CARM
41. ait alors quip d une cam ra couleur d un lien Ethernet sans fil d un laser SICK PLS Cinq op rateurs 1 expert 2 roboticiens et 2 novices ont fait des s ries de tests avec les deux plate formes dans diff rentes conditions Le fait de comparer les deux plate formes a permis de constater qu il fallait privil gier la forme circulaire du Magellan ainsi que sa m thode de propulsion pour la conception de la nouvelle plate forme La raison est qu il est possible de faire pivoter le robot sur lui m me sans se soucier des obstacles environnants Ce qui n est pas le cas pour le CoWorker qui est de forme rectangulaire Les tests ont aussi montr l utilit d avoir une capacit de d tection d obstacles courte moins de 20 cm et moyenne port e environ 1m La pr sence de passages troits ainsi que d aires ouvertes demande de faire des ajustements au niveau de la vitesse de d placement du robot 22 CHAPITRE 3 CONCEPTION ELECTRONIQUE 23 x a CoWorker b Magellan Figure 3 1 Robots utilis s pour les tests domicile En plus d analyser les sp cifications techniques de la nouvelle plate forme des groupes de discussion focalis e ont t mis en place pour valuer les types d applications possibles de celle ci 4 Le premier groupe tait constitu de cliniciens le deuxi me de personnes g es Le t l gardiennage et la t l assistance dans la prestation de soins ont t identifi s comme applications
42. aitement d image vid o pour identifier les obstacles sera une avenue tudier Une tude devra tre faite au niveau de l utilisation de capteurs dans les roues de propulsion pour mesurer la qua lit du contact de la roue avec le sol ou d identifier la pr sence d obstacles sur le plancher Cette mesure pourra tre utilis e par le comportement Avoid Floor pour v rifier que les roues sont bien en contact avec le sol La validation du prototype dans l usage souhait soit de r aliser une t l pr sence en transportant un vid ophone pourra alors tre compl t e afin de passer l exploitation de la plate forme dans un contexte r el d usage pour les soins aux personnes g es R f rences 1 R 2 R Arkin Behavior Based Robotics The MIT Press 1998 Betke et L Gurvits Mobile robot localization using landmarks IEEE Transactions on Robotics and Automation pages 251 263 1997 3 J Bisson F Michaud et D L tourneau Relative positioning of mobile robots using 11 G 12 Y 13 M 14 D ultrasounds Proceedings IEEE RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems pages 1783 1788 2003 Boissy H Corriveau F Michaud M P Royer et D Labont Exploring the po tential use of home mobile telepresence for telehomecare qualitative study with healthcare professionals and community living elderly Journal of Telemedecine and Telecare 2007 Burschka et G D Hager V
43. alize Planificateur de trajet TRPathPlanner Robotlnterface aafd T RDecisionNetwork CHAPITRE 5 CONCEPTION LOGICIELLE POUR LA PRISE DE DECISION 65 5 3 Performances du syst me Des tests ont t faits pour valider le bon fonctionnement de l architecture et pour en caract riser les performances Pour l ensemble des tests pr sent s l architecture compl te tait active sur le robot Autrement dit les valeurs sont prises en consid rant des condi tions d op ration du syst me int gr Les tests se divisent en trois sections La premi re cherche tablir le temps de r action de l architecture d cisionnelle suite la r ception de diff rentes commandes de t l op ration La deuxi me contient les preuves de fonctionnement des diff rents comportements moteurs La troisi me d montre le fonctionnement global de Valgorithme de suivi de trajet autonome 5 3 1 Temps de r action de l architecture logicielle Les temps de r action du syst me ont t analys s pour permettre de caract riser les perfor mances de l architecture Le premier test consiste mesurer sur dix essais le temps entre la r ception d une commande d arr t d urgence logiciel et le moment op la commande moteur re ue par le bloc RobotInterfaceAA passe une vitesse nulle Le tableau 5 2 montre les r sultats des dix essais pr sentant une moyenne de 158 msec TABLEAU 5 2 Temps de r action suite la r ception d une comma
44. angle comme http www acroname com robotics info evaluation northstar northstar html CHAPITRE 4 LOCALISATION ET PLANIFICATION DE TRAJECTOIRES 48 pour les tests rapport s au tableau 4 4 ont t r alis s afin de comparer les performances entre ce syst me et CARMEN Il est important de mentionner que l un des points utilis s pour l analyse est celui o le syst me NorthStar a t calibr autrement dit l endroit o les r sultats sont optimaux De plus ce point se trouve sous une partie du plafond qui se trouve au m me niveau que le point de r f rence Le tableau 4 8 montre une comparaison entre les deux syst mes faites sur dix lectures Il est possible de voir que les deux syst mes ont une performance comparable dans ces conditions d op ration La position r elle du robot sur le sol est 8983 11151 0 TABLEAU 4 8 Comparatif du NorthStar et de CARMEN au point de r f rence Mesure Estimation du NorthStar Estimation de CARMEN X mm Y mm X mm Y mm 359 993 8956 11140 0 0 175 8956 0 0 329 8953 0 0 0 0 ams fo ir o Ecart type 1 059 12 249 0 12 649 4 216 0 Un autre test a t effectu en un point o le niveau du plafond est diff rent du point de r f rence La position r elle du robot ce point est 7025 11326 180 Cette situation n est pas pr sente dans la plupart des domiciles sauf lors
45. artographie de l environnement et g n ration de trajectoire Une fois localis il est possible au robot de se situer dans l environnement d op ration et de planifier un trajet pour se rendre d un point A un point B Pour y arriver le robot a besoin d une carte de l environnement Cette carte peut tre fournie pr alablement au robot ou tre construite dynamiquement soit lors d une tape de cartographie pr alable la mise en op ration du robot soit directement par les actions autonomes du robot Cette derni re technique est qualifi e de SLAM Simultaneous Localization and Mapping Le SLAM est CHAPITRE 2 ROBOTS ET NAVIGATION DANS LES DOMICILES 17 te Environnement de base Zone 1 Zone 2 Zone 4 Mod le g om trique divis en zones Mod le m trique Zone 3 Mod le topologique Figure 2 11 Diff rences au niveau des cartes une probl matique de recherche encore d actualit qui demande de pouvoir compenser les erreurs de localisation du robot lors de la construction d une carte de l environnement 29 Les approches utilisables actuellement cherchent plut t exploiter des cartes pr tablies Pour tre en mesure de localiser le robot sur une carte il faut choisir entre diff rentes approches illustr es la figure 2 11 Les possibilit s sont 1 M trique Cette m thode consiste diviser l environnement en plusieurs cellules de dimensions identiques 11
46. ces d arr t pour le comportement Avoid Front Vitesse lin aire mm sec Distance moyenne de l obstacle mm Ecart type Dans le cas du comportement Avoid Back les capteurs de proximit infrarouges orient s CHAPITRE 5 CONCEPTION LOGICIELLE POUR LA PRISE DE DECISION 69 vers l arri re sont utilis s pour la d tection d obstacles Une s rie de dix essais a t effectu e une vitesse de 100 mm sec et la distance moyenne d arr t est de 100 mm Les param tres utilis s pour la zone de ralentissement sont de 200 mm et 100 mm La sp cification est donc atteinte Il est noter que si la vitesse maximale permise est augment e il faut augmenter la limite ext rieure d finissant la zone de proximit voir figure 5 4 La vitesse permise lors de d placements vers l arri re se font vitesse r duite car la port e des capteurs positionn s l arri re est plus courte par rapport l avant La vitesse de 100 mm sec a t d termin e suite des tests qualitatifs en laboratoire Il est important de mentionner qu il n y a pas de vue vid o de ce qui se passe vers l arri re du robot et qu il faut s assurer que le robot puisse s arr ter de mani re ad quate en pr sence d obstacles Dans le cas du comportement Avoid Floor c est galement les capteurs infrarouges qui sont utilis s pour mesurer la distance entre le robot et le sol Les tests de fonctionnement ont t faits en d placant le robot sur un
47. ci tout sp cial ma muse et copine Caroline qui en plus de son soutien et sa compr hension m a permis de trouver l inspiration et la motivation n cessaire pour r aliser ce projet Cet ouvrage est d di ces personnes ii TABLE DES MATIERES 1 INTRODUCTION 1 2 ROBOTS ET NAVIGATION DANS LES DOMICILES 3 2 1 Robots existants pour le soutien de personnes domicile 3 2 1 1 Robots utilis s avec des personnes g es e 3 2 1 2 Robots de t l pr sence 7 2 1 3 Robot de service 9 2 1 4 Sommaire 10 2 2 Navigation autonome 13 2 2 1 M thodes de localisation 13 2 2 2 M thodes de cartographie de l environnement et g n ration de trajectoire 16 2 2 3 D tection et vitement d obstacles 20 3 CONCEPTION LECTRONIQUE 22 3 1 Alimentation lectrique 27 3 2 Interface avec les capteurs 30 4 LOCALISATION ET PLANIFICATION DE TRAJECTOIRES 36 4 1 Localisation PEE 36 4 1 1 Localisateur CARMEN 37 4 44 3 Odom trie 39 4 1 3 Syst me de balises infrarouges NorthStar 45 4 2 Planification de trajectoires les 49 43 Discussion 52 ili TABLE DES MATIERES
48. cis l ouverture du c ne de d tection est de 30 et ils sont tr s sensibles au bruit lectrique et aux chocs Le taux de ra fraichissement des lectures est de l ordre de 25 Hz D pendamment du type de surface de l objet et de l angle d incidence de londe ultrasonique il est possible que Ponde mise ne soit pas r fl chie par la surface e g tissu ou qu elle rebondisse sans revenir vers l netteur ph nom ne connu sous le nom de r flexion sp culaire Un capteur ultraso nique peut r agir une onde envoy e par un autre capteur sur le robot crosstalk ou recevoir l cho envoy lors d une lecture pr c dente r flexion fant me Rep rage par signature visuelle Ce type de rep rage tente de tirer des informations ca ract ristiques d images prises dans l environnement 28 15 22 Par exemple il est pos sible d extraire le contour des objets et d ensuite faire une comparaison avec des points connus de l environnement e g meuble cadre de porte 28 Une autre m thode consiste trouver les variations importantes au niveau des couleurs dans l image 28 L image est divis e en petites zones ind pendantes ce qui permet de g n rer une signature unique pour chaque image L image recueillie est faite sur le sens de la hauteur Cette caract ristique est diff rente des m thodes par laser ou par sonars qui donnent une repr sentation sur un plan parall le au plancher Il est donc possible d ajouter des l ments
49. couvre une zone importante e g 180 pour les laser SICK Les sonars ont l avantage de couvrir une zone plus large que les infrarouges qui d tectent seulement en ligne droite Il reste l utilisation d interrupteurs de contact m caniques comme dernier niveau de d tection tant donn les limitations sur chacun des capteurs e g pr cision exactitude taux de rafraichissement couverture d tection de diff rents mat riaux il s av re utile d en combiner plusieurs pour assurer une d tection plus fiable et robuste Ces limitations sont d autant plus grandes dans les domiciles op les obstacles pr sents sont de formes et de dimensions diff rentes e g table avec pattes meubles animaux La figure CHAPITRE 2 ROBOTS ET NAVIGATION DANS LES DOMICILES 21 Signal sonar ENEE Signal infrarouge Figure 2 14 Probl matique de la table 2 14 est un exemple qui peut se produire dans le domicile Un autre cas important consiste d tecter la pr sence d un escalier en percevant l absence de plancher voir figure 2 9 b Une solution consiste utiliser des d tecteurs de proximit infrarouge orient s vers le plan cher Une autre alternative est le concept du mur virtuel mis en place soit avec une bande r fl chissante sur le plancher 12 ou avec un metteur infrarouge Dans les deux cas une limite virtuelle est cr e et le robot ne doit pas la d passer Enfin le cas o l inclina
50. ct ristiques de trois plate formes robotiques de t l pr sence sont pr sent es ici 1 Secur O Bot Ce robot montr la figure 2 6 est une variante de la plate forme Care O Bot Elle est ax e sur la t l surveillance en milieu industriel Le syst me de base CHAPITRE 2 ROBOTS ET NAVIGATION DANS LES DOMICILES 8 Figure 2 6 Robot Secur O Bot mesure 400 mm x 400 mm x 375 mm et p se 30 kg Il a une autonomie de huit heures Les batteries sont de 24 V et ont une capacit de 40 Ah La recharge du robot s effectue en branchant manuellement le robot un bloc de recharge La cam ra se trouve une hauteur d environ 1 m tre Le contr leur principal PentiumIII 800MHz est embarqu sur le robot Le robot utilise un laser SICK LMS200 pour la d tection et l vitement d obstacles La communication entre les modules embarqu s est faite via un bus CAN Ce syst me est capable de m moriser des trajets et ensuite tre en mesure de les r p ter de facon autonome Le robot comprend aussi un syst me de t l op ration Les diff rentes commandes sont envoy es au robot en utilisant un lien Ethernet sans fil Garcia Cette plate forme montr e la figure 2 7 a t d velopp e par la compagnie Acroname La base a une dimension de 280 mm x 195 mm x 94 mm Il est possible d ajouter un m t de 406 mm contr l en rotation et en inclinaison Ce m t permet de donner une certaine flexibilit pour l utilisation d une ca
51. de l environnement d op ration Il faut remarquer que dans les deux tests le robot est en mesure de d finir un trajet en fonction de la position de d part et de le suivre Dans le deuxi me cas le robot est bloqu avant de pouvoir terminer le dernier segment La raison est simple la trajectoire en ligne droite fait passer le robot trop pr s d un obstacle et il se trouve bloqu par le comportement Avoid Front Ce probl me est reli au fait que le comportement ralentit le robot en fonction de la proximit de l obstacle et qu il ne cherche pas donner une commande moteur qui permettrait au robot de passer c t de l obstacle Il faut rappeler que la mise en ceuvre de l algorithme d vitement d obstacle a t faite de mani re ne pas biaiser les r sultats des tests de t l op ration Le but tait d valuer les performances de diff rentes m thodes de t l op ration et les arr ts devant les obstacles taient consid r s dans l tude comme indicateur La capacit de d gager le robot tait aussi un l ment tudi Cette approche devra tre revis e lors des prochaines phases de d veloppement du T l robot pour qu il soit en mesure de se d placer de mani re autonome dans l environnement CHAPITRE 5 CONCEPTION LOGICIELLE POUR LA PRISE DE DECISION 75 Objectif Point de d part Objectif Point de d part 4000 2250 4000 1500 a Trajet complet b Trajet o le robot est bloqu Figure 5
52. e est l assistance aux personnes dans des t ches domestiques Le robot poss de un bras robotique pour d placer des objets la place du patient La plate forme de base est le MP M470 de la compagnie Neobotix Ce robot est de grande dimension 470 mm x 470 mm x 756 mm et son poids est de 150 kg L alimentation est fournie par 8 batteries de 48 V pour une www cs cmu edu nuresebot webdesign html CHAPITRE 2 ROBOTS ET NAVIGATION DANS LES DOMICILES 5 Figure 2 2 Robot Care O Bot II en action capacit totale de 84 Ah Il faut brancher manuellement le robot pour le recharger Le contr leur principal PentiumIII 800 MHz est embarqu sur le robot et un cran plat de 15 pouces est utilis pour l interface usager Un d tecteur laser SICK LMS 200 ainsi que des interrupteurs de contact sont utilis s pour la d tection d obstacles La commu nication entre les diff rents modules embarqu s e g contr le du bras contr le du cou etc est faite par un bus CAN Un syst me de communication Ethernet sans fil peut tre utilis pour interagir avec le robot Un comportement de navigation autonome permet au robot de suivre des trajets pr tablis dans l environnement Robot Doc Cette plate forme est conque dans le but d tre t l op r e par un m decin figure 2 3 afin de faire des visites distance dans un autre centre hospitalier Ce robot utilise un cran d ordinateur la place de sa t te pour afficher le visage de l op
53. e planche de bois de 12 7 mm d paisseur qui est plac e sur le sol La figure 5 8 montre les deux types de d placements qui ont t test s Le premier test consiste d placer le robot dans toutes les directions partir de commandes de t l op ration directes joystick et de v rifier que le robot ne descend pas de la planche Le deuxi me est de v rifier que les roues de propulsion ne tombent pas dans un trou suite une rotation Dans les deux cas les tests ont t concluants Une analyse des distances d arr t a t faite en consid rant des d placements en ligne droite vers le bout de la planche mouvements avant et arri re La vitesse initiale du robot est de 250 mm sec soit la vitesse maximale permise pour le T l robot Les valeurs retourn es par les capteurs infrarouges orient s vers le plancher doivent tre inf rieures 200 mm pour consid rer que le robot se d place sur une surface s curitaire Le comportement bloque la vitesse 0 lorsque la distance devient trop grande c est dire en pr sence d un trou Le tableau 5 7 montre les distances d arr t entre le centre des roues de propulsion et le bord de la planche Dans tous les cas les roues du robot se trouvent encore sur la planche Des tests ont t faits pour v rifier le temps de r action du comportement Teleop suite un changement au niveau de la commande de vitesse joystick Les r sultats ont t pr sent s dans le tableau 5 3 CHA
54. e quant la d nivelation maximale du plancher est de 1 cm ApriAlpha Ce robot a t d velopp par la compagnie Toshiba pour op rer dans un environnement domiciliaire figure 2 5 Le robot communique via un lien Ethernet sans fil Bluetooth ou par infrarouge Un syst me audio bidirectionnel est aussi dispo nible L aspect int ressant est sa petite taille 350 mm x 350 mm x 380 mm et son poids de 10 kg Il a une autonomie d environ deux heures et la recharge n est pas au tonome Le syst me utilise six sonars pour l vitement d obstacles Les cam ras vid o www sdia or jp mhikobe e products etc robot html 5 www mhi co jp kobe wakamaru english about technology html 8www toshiba co jp about press 2003 03 pr2001 html CHAPITRE 2 ROBOTS ET NAVIGATION DANS LES DOMICILES 7 Figure 2 4 Robot Wakamaru Figure 2 5 Robot ApriAlpha sont utilis es pour permettre un algorithme de vision d identifier la pr sence d une personne dans l image L algorithme recherche la pr sence de v tements en utilisant les caract ristiques de couleur et de texture de ceux ci Une fois qu une personne est trouv e il est possible de la suivre lors de ses d placements tout en demeurant une distance s curitaire 2 1 2 Robots de t l pr sence Par d finition la t l pr sence permet A un op rateur de voir d entendre et de se d placer un peu partout et m me d agir dans un environnement distant Les cara
55. e trouve la position 1500 2500 La diff rence entre les deux exemples est le point de d part du robot 4000 2250 et 4000 1500 respectivement Le crit re de s lection pour tablir un trajet est de minimiser la distance lin aire franchie par le robot Le calcul de distance pour le premier segment est fait en fonction de la distance entre le centre des cellules adjacentes et la position actuelle du robot et non la position du centre de la cellule op le robot se trouve C est pourquoi l algorithme prend les chemins les plus directs pour se rendre l objectif Les points noirs repr sentent les diff rents points du trajet suivre Les deux trajets passent par une cellule interm diaire et le centre de celle ci devient un objectif Des points de transi tion sont ajout s aux fronti res entre les cellules La position de ces points est donn e dans CHAPITRE 5 CONCEPTION LOGICIELLE POUR LA PRISE DE DECISION 74 5000 3500 5000 3000 1000 1000 a Division de l environnement b Arbre d adjacence Figure 5 10 Environnement de test simplifi FREESPACE 4 number of spaces where the robot can go 1000 1000 0 1000 3500 0 2000 3500 0 2000 1000 0 2000 1000 0 2000 1900 0 3000 1900 0 3000 1000 0 3000 1000 0 3000 3000 0 5000 3000 0 5000 1000 0 2000 2100 0 2000 3000 0 3000 3000 0 3000 2100 0 Figure 5 11 Fichier de d finition utilis pour la preuve de fonctionnement le fichier de d finition
56. ents A Pr cise et compl te I N cessite beaucoup d espace m moire dans l ordinateur embarqu A Repr sentation compacte de l environnement I Limit e au niveau de la repr sentation des formes fidelit A Repr sentation compacte de l environnement I Repr sentation simpliste de l environnement une repr sentation de l environnement Par exemple la section 4 2 explique le fonctionnement M trique G om trique Topologique de Valgorithme utilis pour la g n ration d un trajet en fonction de la position pr sente du robot et de celle de l objectif 2 2 3 D tection et vitement d obstacles Puisque l environnement domiciliaire est dynamique il est possible qu un l ment de l en vironnement soit d plac par rapport la carte ou qu il ne soit pas identifiable sur celle ci Dans ce cas le robot percuterait l obstacle car il consid re qu il n y a pas d obstacle cette position dans l environnement Il faut donc ajouter des senseurs qui permettront au robot de d tecter et d viter les obstacles La premi re chose faire est de d terminer l tendue de la zone de d tection souhait e afin de choisir les senseurs utiliser Comme mis en vidence au tableau 2 1 plusieurs types de senseurs comme un laser des sonars ou des d tecteurs de distance infrarouge sont couramment utilis s pour cette t che Le laser a l avantage d tre tr s pr cis et il
57. er la g n ration d un trajet qui a pour objectif une station de recharge dont la position est connue par le robot Un comportement guidant le robot pour le branchement la station de recharge devra tre congu Un exemple a d j t mis au point au LABORIUS 16 Par contre il faudra faire des modifications au niveau des chargeurs ainsi qu au niveau de la carte d alimentation du robot pour contr ler les diff rentes tapes de recharge afin d optimiser le fonctionnement des batteries long terme e g modifier le courant utilis pour recharger les batteries en fonction de la tension de celles ci L autre probl me est de d velopper un syst me m canique pour faire le branchement physique entre le robot et la station Le prochaine tape dans la poursuite de ce projet est d amener le robot dans les domiciles et de valider ses capacit s de navigation autonome dans des conditions d op ration hors la boratoire L architecture d cisionnelle pourra tre reprise telle quelle avec des ajustements au niveau du module de localisation e g utiliser la plus r cente version de CARMEN et d vitement d obstacle e g pour le contournement d obstacles en suivant une trajec toire L utilisation d un capteur laser URG04 d Hokuyo devrait aussi augmenter l autono mie nerg tique du robot Une autre tape sera de consid rer une m thode pour d tecter les obstacles sur la hauteur du robot voir figure 2 14 L utilisation d algorithme de tr
58. erface utilisateur GUI et de la perception du robot Six comportements servent contr ler les actions vitesse de d placement lin aire en mm sec et vitesse de rotation en 1 100 sec du robot via un bloc d arbitration qui les priorisent Planificateur de trajet i 3 J TE Ex cutif Localisation Information GUL ye Rest Avoid Floor Avoid Front Avoid Back Commandes moteur Figure 5 2 Architecture d cisionnelle utilis e sur T l robot 5 1 1 Module Comportements La figure 5 3 illustre le sch ma bloc du module Comportements qui inclut les six comporte ments et leur arbitration par priorit le comportement le plus haut tant plus prioritaire que les comportements du dessous Chaque comportement peut envoyer des consignes Vitesse longitudinale Vitesse de rotation ou ne rien envoyer si aucune commande n est g n r e Les comportements sont Rest Envoi par d faut une consigne 0 0 lorsqu il est activ Avoid Floor D tecte la pr sence du plancher l aide des quatre capteurs infrarouges dirig s vers le plancher Freine le robot lorsqu un trou l avant ou l arri re du robot est d tect L objectif est d viter que le robot tombe dans un trou ou dans une cage d escalier Avoid Front D tecte la pr sence d un obstacle l avant du robot l aide du capteur laser Le robot diminue sa vitesse longitudinale lorsque l obs
59. es avec l ajout d lastiques sur les roues Ces mesures confirment une am lioration en Y et en angle mais pas en X Ceci est d au fait que l lastique a une moins bonne adh rence dans les d placements selon l axe longitudinal de la roue L usage de roues profil es permettrait de diminuer davantage l incertitude au niveau de la distance entre les points de contact et d am liorer l odom trie du robot En guise de comparaison des mesures ont aussi t prises avec le localisateur CARMEN uti lisant le laser comme capteur de proximit telles que rapport es aux tableaux 4 3 et 4 4 Les erreurs fournies par CARMEN nous permettent de localiser de mani re ad quate le robot dans l environnement videmment ces erreurs sont beaucoup plus petites que celles obte nues de l odom trie mettant en vidence le gain de ne pas se fier uniquement l odom trie pour la localisation TABLEAU 4 3 Erreurs 250 mm sec et 28 sec sans lastique Erreur de CARMEN 2503 0 712 0 800 0334 Coefficient de variation 0 801 0 470 CHAPITRE 4 LOCALISATION ET PLANIFICATION DE TRAJECTOIRES 45 TABLEAU 4 4 Erreurs 250 mm sec et 28 sec avec lastique Erreur odom trique Erreur de CARMEN qe 5 as 35 6230 85 5395 29 195 a 4 far i25 17 045r 1239 2 239 6 1 655 9 265 7 808 0 808 of is 6 0 685 i 1 636 SH Le dernier test r alis
60. es capteurs Ces erreurs sont cumul es dans le temps ce qui rend difficile ou m me impossible d utiliser seulement ces techniques pour d river la position du robot Les m thodes de localisation absolue utilisent l information provenant de balises ou de points de rep res ayant des coordonn es connues et fixes Il est donc possible de calculer la position partir des distances mesur es entre le robot et les balises Diff rentes m thodes peuvent tre appliqu es Balises ultrasoniques 24 3 L approche consiste utiliser des balises ultrasoniques qui p es d un syst me de communication par radio fr quences Les balises sont des positions connues et fixes A tour de r le un minimum de trois metteurs ultrasoniques envoient une CHAPITRE 2 ROBOTS ET NAVIGATION DANS LES DOMICILES 14 Figure 2 10 Sch ma de fonctionnement du syst me NorthStar onde ultrasonique La synchronisation des diff rents syst mes est faite par le lien radio Le robot value avec l aide d un ou plusieurs r cepteurs ultrasoniques le temps de r ception du signal En utilisant la vitesse du son comme constante il est possible de d duire la distance entre le r cepteur et les sources avec l aide d un algorithme de triangulation 2 Balises infrarouges Le syst me NorthStar de la compagnie Evolution Robotics utilise des metteurs infrarouge qui envoient des signaux vers le plafond de la pi ce Le r cepteur qui es
61. es seconde un pulse tant une unit pour l encodeur de roue rattach e au moteur en question En d placement longitudinal l intervalle de vitesse disponible pour la plate forme T l robot est situ entre 47 mm sec et 1100 mm sec L intervalle au niveau de la vitesse de rotation est situ entre 5 sec et 265 sec Les autres l ments lectroniques du T l robot son alimentation lectrique et l interface avec les capteurs ont t concus sp cifiquement pour la plate forme et sont d crits dans les prochaines sous sections CHAPITRE 3 CONCEPTION ELECTRONIQUE 27 3 1 Alimentation lectrique La premi re tape pour la conception du syst me d alimentation du T l robot fut de mener une tude au niveau de la consommation nerg tique des diff rents l ments int grer sur la plate forme Le tableau 3 1 r sume les donn es utilis es impliquant diff rents syst mes sensoriels install s sur le robot TABLEAU 3 1 Consommation nerg tique des diff rents syst mes Module AZIMUT 2 moteurs l arr t Module AZIMUT 2 moteurs 350 mm sec 100 Senseurs interface 4 sonars 16 IR Vid ophone CareStation Cam ra web Sony RZZO Localisateur infrarouge NorthStar Laser SICK LMS200 En consid rant l utilisation de tous les syst mes alors que le robot est immobile la puissance envisag e est de 80 43 W 24 V La valeur de puissance passe 130 43 W lorsque le robot est en
62. eul non plus car l influence de l environnement e g surface du plafond peut rendre l estimation de position inutilisable Un l ment qui nuit aux performances de ce syst me est que l espace couvert par un des metteurs infrarouge est limit Un autre point est que l inclinaison du capteur viens modifier les r sulats Le tableau 4 12 reprend les r sultats des tests TABLEAU 4 12 R sum des valeurs moyennes pour les tests du NorthStar Erreur X mm Erreur Y mm Erreur Pot de ee Point o le plafond n est pas uniforme 7 868 Le syst me qui donne les meilleures performances globales est CARMEN tableau 4 13 Les performances sont stables peu importe les conditions d op ration Un inconv nient est que le capteur laser utilis pr sentement avec CARMEN SICK LMS200 est co teux l achat CHAPITRE 4 LOCALISATION ET PLANIFICATION DE TRAJECTOIRES 54 et en consommation nerg tique Une alternative tudier est l utilisation du capteur laser URG04 avec CARMEN Si la combinaison de ce capteur et CARMEN donne des r sultats meilleurs ou similaires ceux pr sent s l utilisation du URGOA sera pr vil gier car ce capteur a une faible consommation nerg tique 2 5 W et un co t l achat d environ 1500 US Les nouvelles versions du logiciel CARMEN partir de 0 6 beta disponible depuis juin 2006 sont galement envisager dans le but d am liorer les performances actuelles TABLEAU 4 13
63. eux obtenus pour le T l robot Les r sultats 1000 mm 1500 mm et 2000 mm d montrent l accumulation de l erreur en fonction de la longueur des d placements des robots Ceci est li l influence des glissements des roues qui se produisent lors des d parts et des arr ts du robot Toutefois l erreur odom trique du T l robot est de beaucoup inf rieure celle du Pioneer2 La variation des distances mesur es est due au fait que le robot est arr t manuellement la fin de l intervalle de test Les valeurs pr sent es en sont le rapport de l erreur sur la distance estim e du d placement De cette fa on il est possible de comparer les diff rentes valeurs CHAPITRE 4 LOCALISATION ET PLANIFICATION DE TRAJECTOIRES 41 ensemble Le pourcentage d erreur est plus lev pour une distance de 500 mm Les r sultats du Pioneer 2 peuvent sembler surprenants car l erreur est sup rieure pour une distance plus faible La raison est que le robot a tendance osciller lors des d parts et des arr ts du robot Cette influence est alors diminu e sur des distances plus longues 42 CHAPITRE 4 LOCALISATION ET PLANIFICATION DE TRAJECTOIRES 09 0 inolio p 0661 991 o eA1oqu wur 000 Z urur mort T 8 c 0 N L Pp OSFT 991 e eA1equT wur OOST 8 urur maung 30q019 9L 1040 L 00c 0 m P 96 TOOT 1091 ojreatoquy wur 0001 urur mang 6 8620 m P Y I0 ww 1991 egeA1iegu urur 0
64. fectu e avec FlowDesigner 10 et MARIE 9 FlowDesigner est un environnement de programmation graphique avec des outils de visualisation et de d verminage facilitant la programmation robotique MARIE facilite la r utilisation de modules logiciels entre les applications robotiques Cet outil offre des modalit s de communication et d interfaces standardis es entre des applications logicielles Des composants logiciels servent pour le transfert des donn es entre les modules logiciels Les Splitter permettent d envoyer une donn e sur diff rents ports de communication Les Mailbox permettent de m moriser une valeur d entr e et les autres composants MARIE peuvent r cup rer la donn e par une requ te la Mailbox Chaque lien de communication utilise des num ros de port TCP diff rents pour permettre d isoler les transferts d information La figure 5 6 illustre la mise en uvre de l architecture d cisionnelle sous MARIE Les num ros de ports TCP utilis s sont identifi s m me les liens avec a pour signifier le port accepteur de connection et c pour le connecteur L initialisation des modules se fait en activant d abord le c t accepteur et ensuite le connecteur Les blocs de format fd identifient des blocs programm s sous FlowDesigner Les blocs utilis s sont TRGUIManagerAA ce bloc sert de lien bidirectionnel de communication entre l interface CHAPITRE 5 CONCEPTION LOGICIELLE POUR LA PRISE DE DECISION 62
65. gps slam Vision based inertial system for mobile robot Proceedings of the 2004 IEEE International Conference on Robotics and Automation pages 409 415 2004 Choset E Acar A Rizzi et J Luntz Exact cellular decompositions in terms of critical points of morse functions Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation pages 2270 2277 2000 Choset K Lynch S Hutchinson G Kantor W Burgard L Kavraki et S Thrun Principles of Robot Motion MIT Press 2005 Cranswick et D Thomas Les soins aux ain s et la complexit des r seaux sociaux Tendances sociales canadiennes 11 11 17 2005 C t Y Brosseau D L tourneau C Ra evsky et F Michaud Using MARIE in software development and integration for autonomous mobile robotics International Journal of Advanced Robotic Systems Special Issue on Software Development anf integration in Robotics 3 1 55 60 2006 C t D L tourneau F Michaud J M Valin Y Brosseau C Ra evsky M Le may et V Tran Code reusability tools for programming mobiel robots Proceedings IEEE RSJ International Conference on Intellignet Robots and Systems pages 1820 1825 2004 Dudek et M Jenkin Computational Principles of Mobile Robotics Cambridge Uni versity Press 2000 Hada et S Yuta The second stage experiments on long term activity of autonomous mobile robots Repetitive navigation for one week in a corridor Journal of R
66. ifficile pour un op rateur de d tecter la pr sence d obstacles en utilisant seulement l image vid o de la cam ra de t l op ration comme r f rence L utilisation d un capteur laser est une solution ad quate mais elle augmente la charge nerg tique ainsi que la masse du robot L utilisation d infra rouge semble ad quate mais seulement courte port e 15 20 cm tandis que les sonars s av rent utiles pour des port es moyennes 15 75 cm Il est galement important pour le robot d tre en mesure de d tecter la pr sence d escaliers Le robot doit tre en mesure de naviguer d un point A un point B de fa on autonome dans le domicile La navigation par rep rage laser est fonctionnelle mais elle demande des ajustements au niveau de la cartographie Un des crit res de conception du syst me de t l pr sence est que la hauteur de la cam ra doit permettre l op rateur de voir ce qu il se passe sur le dessus d une table Les tests avec le robot CoWorker ont d montr qu il faut faire attention aux changements brusques de vitesse lorsque la cam ra de t l op ration est positionn e un endroit trop haut par rapport la base de la plate forme Des oscillations sont alors perceptibles dans le flux vid o ce qui est d plaisant pour le t l op rateur De grandes oscillations sont aussi en gendr es lorsque le robot passe au dessus d un seuil de porte Une suspension appropri e doit tre con ue Une autonomie
67. ion Vitesse maximale Tt __ irs p j Point X Y Th ta Commandes GUI i atteindre Figure 5 5 Sch ma bloc du module ex cutif 5 1 2 Module Ex cutif La figure 5 5 illustre le sch ma bloc du module Ex cutif Le module Navigate g re la r alisa tion de trajets partir des points soumis par le Planificateur de trajet I fournit le premier point du trajet X Y O au comportement Goto Celui ci g re le d placement du robot pour atteindre l objectif et envoie une confirmation au bloc Ex cutif lorsque le point est consid r comme tant atteint Dans ce cas le module Navigate envoie le prochain point du trajet et le cycle recommence jusqu ce que le trajet soit compl t Les modules Survive et Lonely assurent que le robot fonctionne dans des conditions d op ration s curitaires en activant le comportement Rest Le module Survive examine le niveau de tension des batteries du robot et il active Rest quand le niveau de tension est inf rieur 23 5 V pendant 10 secondes pour viter d tre sensible aux variations de tension caus es par l activation des moteurs Ce choix se justifie par la contrainte de vouloir rester s curitaire avec le robot le temps que les modules de navigation autonome soient valid s en conditions r elles En temps normal ce module viendrait activer un comportement de recharge autonome et la g n ration d une trajectoire vers une station dont le robot c
68. ion l lectronique la navigation autonome la prise de d cision la t l communication l interface op rateur et l valuation int gr e du syst me dans son ensemble L objectif principal du pr sent travail est de r aliser qu une seule partie de ces points soit la conception lectronique et informatique de la plate forme robotique Plus sp cifiquement le robot doit pouvoir naviguer de facon autonome et selon les instruc tions d un op rateur Pour y arriver le robot doit tre en mesure d viter les obstacles de toutes sortes e g escaliers occupants table chaises fauteuil animaux qui sont pr sents dans l environnement et ce de jour autant que de nuit Le robot doit aussi tre en mesure de se positionner des endroits pr cis dans le domicile e g pi ce station de recharge car le bon fonctionnement du robot doit pouvoir se faire sans aucune assistance de la personne g e Il doit enfin poss der les fonctionnalit s audio et vid o pour permettre un op rateur CHAPITRE 1 INTRODUCTION 2 distant d interagir avec le patient via la plate forme robotique Le d fi principal de ce projet est donc d int grer diff rentes technologies pour r aliser l ensemble des capacit s demand es sur un seul syst me Le document se divise en cinq sections Le chapitre 2 pr sente une revue des diff rentes technologies qui pourraient tre utiles pour la r alisation de ce projet Le chapitre 3 traite des choix qui ont
69. ionnalit puisse tre raffin e par la suite Elle regroupe les tapes suivantes 1 Localisation le robot doit d terminer o il se trouve dans l environnement 2 Destination le robot doit savoir op il doit se rendre Dans notre cas nous supposons que cette information lui est transmise par l interface utilisateur 3 Repr sentation le robot doit avoir une connaissance de l environnement d op ration 4 Navigation le robot doit tre en mesure de se d placer par lui m me Les prochaines sous sections viennent d crire les tapes de localisation de repr sentation et de navigation telles que mises en uvre sur T l robot avec leurs tests de performance associ s 4 1 Localisation Cette section pr sente les r sultats de tests de pr cision pour un syst me de localisation par odom trie et pour le syst me NorthStar Les r sultats obtenus sont compar s ceux du syst me de localisation CARMEN 21 dont les principes sont expliqu s la section 4 1 1 Les principes de fonctionnement de l odom trie ainsi que les r sultats sont pr sent s la section 4 1 2 suivi de ceux du NorthStar la section 4 1 3 36 CHAPITRE 4 LOCALISATION ET PLANIFICATION DE TRAJECTOIRES 37 4 1 1 Localisateur CARMEN Le logiciel CARMEN utilise une m thode probabiliste pour tre en mesure de localiser le robot dans un environnement qui a t pr alablement cartographi 21 Cette m thode est connue sous le nom de Markov L
70. ique apr s une r volution P2 P2OS P2 corrig T l robot 9 1 9 Moyenne 5 933 1 914 0 651 Ecart type 3 951 2 815 1 0898 085 0400 0465 Le troisi me test consiste ex cuter une trajectoire pr cise et mesurer les erreurs caus es par les d placements longitudinaux et lat raux du robot Le robot se d place sur un trajet en forme de triangle rectangle de 1 5 m par 2 m de c t Le tableau 4 4 pr sente la diff rence entre l estimation de position donn e par l odom trie avec la position r elle lorsque le robot est de retour au point de d part Une hypoth se expliquant les erreurs odom triques sur le T l robot est la variation du pa ram tre T en fonction de la surface du plancher et de la largeur de la surface de contact CHAPITRE 4 LOCALISATION ET PLANIFICATION DE TRAJECTOIRES 44 des roues avec le sol Les roues de propulsion du robot ont une largeur de 50 mm ce qui cr e une plus grande surface de contact avec le sol mais aussi une plus grande sensibilit aux d fauts de surface de environnement L ajout d lastiques de 15 mm de largeur sur les roues de propulsion permet de r duire la surface de contact avec le sol et du m me coup les erreurs La raison est que l incertitude au niveau de la distance entre les points de contact entre les roues de propulsion et le sol est r duite Le tableau 4 4 pr sente les erreurs observ
71. ir de l information sur l tat des diff rentes t ches actives l interface utilisateur 2 Interpr ter et appliquer les commandes d placement modes arr t pousser des objets envoy es par l interface utilisateur 3 Utiliser un mode s curitaire de d placement par vitement d obstacles 4 tre en mesure de se localiser dans l environnement ainsi que de g n rer et de suivre une trajectoire de mani re autonome 5 Identifier le besoin de recharge des batteries et aller se recharger 6 D tecter la pr sence d un bris de communication avec l interface utilisateur afin d arr ter le robot La conception logicielle pour la mise en ceuvre de ces fonctionnalit s comporte l laboration d une architecture d cisionnelle et d une architecture logicielle L architecture d cisionnelle d crit les modules de traitement et leurs interrelations pour la prise de d cision L architec ture logicielle explique comment ces modules sont impl ment s sur le robot 95 CHAPITRE 5 CONCEPTION LOGICIELLE POUR LA PRISE DE DECISION 56 5 1 Architecture d cisionnelle L architecture d cisionnelle utilis e sur le T l robot r pond aux caract ristiques des archi tectures hi rarchiques hybrides 27 1 La figure 5 1 illustre le principe g n ral de ces archi tectures Le module Planificateur de trajet expliqu la section 4 2 se trouve au sommet de la hi rarchie Il sert g n rer des trajectoires en foncti
72. irsch D Magaritis M Mon temerlo J Pineau J Schulte et S Thrun Towards personal service robots for the elderly Proceedings of the Workshop on Interactive Robotics and Entertainment WIRE 2000 27 R Siegwart et I Nourbakhsh Introduction to Autonomous Mobile Robots The MIT Press 2004 28 R Sim et G Dudek Mobile robot localization from learned landmark Proceedings IEEE RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems IROS 1998 REFERENCES 80 29 S Thrun Learning metric topological maps for indoor mobile robot and navigation Artificial Intelligence 99 1 21 71 1998 30 R T Vaughan B P Gerkey et A Howard On device abstraction for portable reusable robot code Proceedings IEEE RSJ International Conference on Intellignet Robots and Systems pages 2421 2427 2003
73. ison du robot est trop importante e g passage d un seuil de porte doit aussi tre d tect afin d viter que le robot ne tombe sur le c t CHAPITRE 3 CONCEPTION ELECTRONIQUE Le chapitre 2 d crit bien la diversit des consid rations entourant la conception d une plate forme robotique mobile ainsi que de l absence de plate formes r pondant aux exigences d une application de t l pr sence dans les domiciles En effet les robots tudi s sont trop petits ou trop volumineux sans capacit s de t l pr sence ou d vitement d obstacles tels que les escaliers ou les seuils de porte et demandent des am liorations importantes pour les rendre utilisables dans les applications de t l pr sence domicile Pour confirmer cette observation des essais pr liminaires ont t r alis s l t 2004 Deux plate formes robotiques un CoWorker et un Magellan ont t utilis es dans deux domiciles diff rents 17 Les robots en question sont illustr s la figure 3 1 Le robot CoWorker est dot d une cam ra couleur plac e sur un mat mobile de capteurs infrarouges de proximit d un sonar rotatif d un lien Ethernet sans fil et d une interface de t l op ration par commande visuelle Le robot Magellan est une plate forme robotique de d veloppement qui appartient au LABORIUS Les outils logiciels du LABORIUS peuvent tre utilis s avec ce robot ce qui permet de modifier son comportement Le robot t
74. itesse initiale de 250 mm sec Distance entre le point d arr t du robot et l objectif Distance entre le point d arr t du robot et le dernier objectif vis viii 65 66 67 68 68 70 70 72 CHAPITRE 1 INTRODUCTION Le ph nom ne du vieillissement de la population est pr sent dans la plupart des pays occi dentaux Ce ph nom ne am ne une charge suppl mentaire au niveau des diff rents r seaux de sant 25 8 Une solution envisag e pour diminuer cette surcharge est de permettre aux personnes g es de rester le plus longtemps possible dans leur domicile 8 Il faut donc d velopper des m thodes qui permettent de les assister dans ce type de milieu Le but g n ral du projet est de concevoir le prototype d une plate forme robotique nomm e T l robot adapt e pour op rer dans un environnement domiciliaire Cette plate forme per mettra un op rateur distant de voir d entendre et de se d placer un peu partout dans le domicile du patient C est ce que nous appelons la t l pr sence Dans le cadre de ce projet l op rateur pourra tre un clinicien un th rapeute ou tout autre expert en soins de sant ainsi qu un aidant naturel Le patient est une personne g e n cessitant la pr sence de ces diff rentes personnes via le robot L envergure d un tel projet est importante car il aborde plusieurs aspects tels que la concep tion m canique le m canisme de locomot
75. ition de celles ci les unes par rapport aux autres sont les crit res pour identifier la posi tion du robot Le probl me majeur est qu il est parfois difficile ou m me impossible de cr er une carte pr cise d la pr sence de formes trop complexes mod liser De plus les diff rents obstacles sont d finis par leur forme ainsi que par leur position dans l environnement coordonn es absolues 3 Topologique Des points de rep res sont utilis s ici comme r f rences pour identifier des lieux dans l environnement et un graphe d adjacence vient repr senter les acc s possibles ces lieux 11 29 28 Il en r sulte une repr sentation compacte mais limit e de l environnement Les points de rep res peuvent tre des l ments d j pr sents ou des l ments ajout s l environnement d op ration Le point consid rer est que les rep res doivent avoir une signature unique pour viter de les confondre entre eux Dans la figure 2 11 les points de rep res utilis s dans la repr sentation topologique sont les coins des cadres de porte Le tableau 2 3 r sume les avantages et inconv nients des diff rentes m thodes de cartogra phie Une fois que le robot est positionn il est possible de planifier la trajectoire suivre en ayant CHAPITRE 2 ROBOTS ET NAVIGATION DANS LES DOMICILES 20 TABLEAU 2 3 Avantages et inconv nients des diff rentes m thodes de cartographie M thodes Avantages Inconv ni
76. la configuration du Roomba Des tests pr sent s la section 5 3 2 en donnent la preuve Enfin la carte d interface des encodeurs de suspension sert lire les encodeurs relatifs plac s CHAPITRE 3 CONCEPTION ELECTRONIQUE 35 Figure 3 10 Zones de d tection offertes par les sonars l chelle sur les bras de suspension de type boggie permettant ainsi de connaitre la position des roues omnidirectionnelles par rapport la base et de mesurer la diff rence de hauteur entre les deux c t s du robot L utilit de ces mesures et celles des infrarouges orient s vers le plancher est d identifier les situations o le robot pourrait basculer et tomber la renverse Une telle situation ne serait pas souhaitable car il n y a aucun moyen automatique pour remettre le robot sur ses roues Il n y a pas eu de tests faits pour caract riser ce syst me car le syst me a t mis en place la fin de la p riode d essai du T l robot CHAPITRE 4 LOCALISATION ET PLANIFICATION DE TRAJECTOIRES T l robot doit tre en mesure de se localiser dans l environnement ainsi que de g n rer et d y suivre une trajectoire C est probablement un des d fis majeurs surmonter dans l usage du robot dans un domicile Puisqu ce stade ci du projet nos tests ne se font pas l int rieur de domiciles l objectif poursuivi pour nos travaux est de mettre en place les capacit s perceptuelles et d cisionnelles requises pour que cette fonct
77. m ra embarqu e Le robot est aliment par six cellules de 7 2 V pour une capacit totale de 3 Ah Le syst me de recharge est externe au robot Il est possible d utiliser un processeur XScale de 400 MHz ou de monter un syst me de communication par radio fr quence pour permettre un contr le distance du robot Des sonars et des d tecteurs infrarouges sont utilis s pour la d tection d obstacles T www care o bot de Produktblaetter Produktblatt Secur O Bot e pdf 8 www acroname com garcia garcia html CHAPITRE 2 ROBOTS ET NAVIGATION DANS LES DOMICILES 9 Figure 2 7 Robot Garcia Figure 2 8 Robot Coworker 3 CoWorker Ce robot montr la figure 2 8 a t con u sp cifiquement pour la t l pr sence L op rateur contr le le robot via une interface web et un lien Ethernet sans fil Les dimensions de cette plate forme sont de 687 x 432 x 914 mm et elle p se environ 34 kg L ordinateur de bord est un PentiumIII 800 MHz Elle est munie d une cam ra d un sonar rotatif et de capteurs infrarouges Ce syst me n a pas de comportement de recharge ou de navigation autonome 2 1 3 Robot de service Il existe sur le march diff rentes plate formes dans cette cat gorie Les applications princi pales sont des aspirateurs ou des tondeuses gazon Leur fonction principale est de couvrir CHAPITRE 2 ROBOTS ET NAVIGATION DANS LES DOMICILES 10 une surface de travail de dimension variable de mani
78. maximales permises Le premier ensemble est en mode de fonctionnement normal 250 mm sec 28 sec et l autre en mode PUSH 100 mm sec 12 sec Dans le deuxi me cas les vitesses permises sont plus faibles car le robot se d place sans avoir de comportement d vitement d obstacle Goto Calcule la trajectoire suivre pour permettre au robot d atteindre un point pr cis de l environnement en fonction de la position actuelle du robot La premi re tape est d orienter le robot en direction de l objectif Ensuite le robot se d place lin airement jusqu une certaine distance du point atteindre avec une tol rance de 200 mm Cette valeur correspond environ 35 de la superficie du T l robot et est consid r e comme acceptable pour l application La derni re tape consiste orienter le robot selon la valeur sp cifi e dans la d finition du point atteindre Cette tape est optionnelle et elle est configurable m me le comportement ou en sp cifiant un angle gal ou sup rieur 360 Les vitesses de d placement maximales sont les m mes que pour le comportement Teleop CHAPITRE 5 CONCEPTION LOGICIELLE POUR LA PRISE DE DECISION 60 Ex cutif i Point alteint Goto Noweautajet DS activation des planificateur de trajet comportements RAV ME Em eee Niveau de tension Commande moteur des batteries robot gt Survive 4 iJoysiick BehaviorActivat
79. mouvement La vitesse de 350 mm sec est la vitesse maximale utilis e lors de la premi re phase de test du T l robot En prenant comme hypoth se que le robot est en mouvement 50 du temps la consommation nerg tique moyenne devrait tre de 105 43 W Des batteries de 24 Vdc doivent tre en mesure de fournir en moyenne 4 4 A en continu pendant deux heures pour r pondre A la sp cification d autonomie nerg tique Pour tablir la puissance maximale requise nous avons consid r la valeur maximale qui peut tre consomm e par le module AZIMUT 2 Le cas extr me est lorsque la plate forme fait un changement brusque au niveau de la consigne de vitesse de 1100 mm sec 1100 mm sec Cette r alit n existe pas pour T l tobot mais il est bon de la consid rer dans le design en cas d expansion future La puissance observ e au niveau du module fut de 200 W ce qui indique des courants de pointe de 8 3 A Cette valeur a t valu e par un capteur de courant qui est situ sur la carte d alimentation du module d AZIMUT 2 La figure 3 4 montre le sch ma lectrique pour l alimentation du T l robot constitu du chassis d AZIMUT 2 Le mod le de pile VHD de la compagnie SAFT a t s lectionn Ces CHAPITRE 3 CONCEPTION ELECTRONIQUE 28 piles sont de type NiMH avec une tension nominale de 1 2 Vdc et une capacit de 8 5 Ah Elles sont similaires celles utilis es sur AZIMUT 2 Les batteries sont configur es en deux paque
80. nde d arr t d urgence valeurs en ms Essais Ecart type Coefficient de variation Le deuxi me test consiste valuer le temps n cessaire entre le moment o la commande de vitesse change au niveau du TRGUIManagerAA et le moment op la nouvelle consigne de vitesse est re ue au bloc RobotInterfaceA A Le tableau 5 3 montre le temps de r action de l architecture suite un changement sur la commande de vitesse passage de 0 mm sec 250 mm sec sur dix essais La moyenne observ e du temps de r action est de 132 msec CHAPITRE 5 CONCEPTION LOGICIELLE POUR LA PRISE DE DECISION 66 TABLEAU 5 3 Temps de r action pour un changement de vitesse valeurs en ms In Essais Gi 7a 102 8 155 145 Ecart type 0 045 Coefficient de variation 0 339 Le temps de r action moyen ne d passe donc pas 200 msec soit deux cycles de traitement Les variations sont dues au fait que l ensemble des blocs logiciels fonctionnent de fa on asynchrone Le dernier test de ce bloc consiste caract riser le temps entre la r ception d une commande de suivi d un trajet autonome GPP et le moment o le robot d bute son d placement Le d lai moyen observ est de 656 msec Le tableau 5 4 illustre galement le temps requis par l algorithme de recherche de trajet TRPathPlanner pour g n rer le trajet suivre Il est noter que le temps de recherche en moyenne 1 447 msec est n gligeable dans le r sulta
81. ndre trois points diff rents sur des distances de 2 m 1 5 m et 2 5 m La figure 5 9 montre la position du robot X Y par rapport au trajet optimal entre les diff rents points Il est CHAPITRE 5 CONCEPTION LOGICIELLE POUR LA PRISE DE DECISION 71 i i H A a D placements en arc b D placements en rotation Figure 5 8 D placements de la plate forme sur la planche important de mentionner que les trois points sont compris dans une m me cellule et le trajet optimal est tout simplement un d placement en ligne droite Les vitesses maximales utilis es sont de 250 mm sec et 28 sec Le localisateur CARMEN est utilis comme source de posi tionnement par le robot Il est possible d observer que le robot ne se rend pas exactement aux diff rents sommets du triangle Ceci est d la tol rance qui est utilis e par le comportement pour consid rer le point comme tant atteint qui est de 200 mm La distance moyenne entre la position r elle du robot sur le sol et celle de l objectif est de 189 mm apr s dix essais ce qui confirme que le comportement fonctionne de fa on ad quate voir tableau 5 9 Les temps moyens des d placements sur les diff rents segments donnent 13 secondes 19 secondes et 28 secondes respectivement Il est noter que ces intervalles de temps sont valu s entre le moment o le robot d bute son d placement et le moment o il s arr te L tape optionnelle d orientation du robo
82. nt Aucune plate forme de ce type n existe sur le march et notre tude vise 4 mettre en vidence et r pondre aux d fis d int gration sous jacents A une telle conception Ce m moire vient tudier le choix des capteurs leurs interfaces nerg tique et informatique et leur disposition sur la plate forme la localisation de la plate forme dans son environnement par odom trie balises infrarouges NorthStar et rep rage laser la planification de trajectoires l architecture logicielle ainsi que la prise de d cision embarqu e sur le robot versus sa t l op ration distance Nos r sultats illustrent les performances du syst me con u et ses fonctionnalit s servant de premi re preuve de concept pour une telle plate forme Le design lectrique du robot ainsi que le choix de ses composantes nous permettent d obtenir une autonomie nerg tique de trois heures L ajout de capteurs de proximit permettent au robot de se d placer de facon s curitaire dans un environnement r el Le logiciel CARMEN est le syst me de localisation tudi qui donne la meilleure estimation au niveau de la position du robot dans l environne ment Le robot est galement capable de g n rer et de suivre un trajet de mani re autonome dans l environnement d op ration en utilisant une repr sentation cartographique construite au pr alable Des tests en laboratoire ont permis de valider le fonctionnement g n ral du prototype tant au niveau de l
83. obotics and Mechatronics 14 4 375 381 2002 Hans B Graf et R Schraft Robotics home assistant Care O Bot Past present future Proceedings IEEE International Workshop on Robot and Human Interactive Communication ROMAN 02 pages 380 385 2002 H hnel W Burgard D Fox K Fishkin et M Philipose Mapping and localization with rfid technology Proceedings of the 2004 IEEE International Conference on Robotics and Automation pages 1015 1020 April 2004 78 REFERENCES 79 15 J Kosecka et F Li Vision based topological markov localization Proceedings of the 2004 EEE International Conference on Robotics amp Automation pages 1481 1486 2004 16 D Labont Teleoperation transmission protocol Technical Report LABORIUS D partement de g nie lectrique et de g nie informatique Universit de Sherbrooke Version 2C 9 f vrier 2006 17 D Labont F Michaud P Boissy H Corriveau R Cloutier et M A Roux Evaluation methodology of user interfaces for teleoperated mobile robots in home environments Proceedings IEEE RSJ International Conference on Intellignet Robots and Systems pages 4466 4471 2006 18 P MacKenzie et G Dudek Precise positionning using model based maps Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation pages 1615 1621 1994 19 F Michaud D L tourneau D Lepage Y Morin F Gagnon P Giguere Beau dry Y Brosseau C Cot A Duquette
84. ocalization 15 27 Le localisateur estime la probabilit que le robot se trouve n importe quelle position et orientation dans l environnement Au d part l utilisateur doit donner la position et l orientation approximative du robot partir des informations retourn es par le laser et des encodeurs de roues odom trie CARMEN est en mesure de faire la mise jour de la position du robot de mani re autonome Il est aussi possible l utilisateur de repositionner le robot en tout temps si le syst me est impr cis Dans le cas de notre impl mentation CARMEN utilise les valeurs retourn es par le capteur laser de proximit SICK LMS200 et les valeurs fournies par les encodeurs plac s sur les roues propuls es du T l robot Pour la phase de tests la carte utilis e couvre l int rieur du LABORIUS Laboratoire de robotique mobile et de syst mes intelligents de l Universit de Sherbrooke ainsi que les corridors qui se trouvent proximit La repr sentation de l environnement a t g n r e partir des donn es du laser et de l odom trie pendant que le robot se d plagait dans la piece Le r sultat de la prise de donn e est illustr la figure 4 1 Des tests de sommaires ont t faits dans le corridor devant le LABORIUS pour avoir une estimation de la pr cision de CARMEN Apr s un d placement lin aire sur une distance de 5 m l estimation en X n avait que 15 cm d erreur et l erreur d orientation tait de moin
85. oche consiste utiliser la technologie RFID 14 Plusieurs modules passifs RFID sont d ploy s des endroits fixes et connus dans l environnement et les coordonn es des diff rents points sont enregistr es dans le robot La localisation du robot est bas e sur l odom trie qui est recalibr e lors du passage du robot pr s d un des modules RF moins de 60 cm Les diff rents syst mes ont des avantages et des inconv nients Ils sont r sum s dans le tableau 2 2 TABLEAU 2 2 Avantages et d savantages des diff rentes m thodes de localisation absolues M thodes Avantages Inconv nients A Le syst me n est pas affect par la temp rature ou l clairage I N cessite l ajout d l ments actifs dans l environnement 3 A Syst me compact et consomme peu d nergie 1 Zone de couverture limit e et ajout d au moins un l ment actif I Sensible aux variations d clairage Pr cision des mesures et repr sentation 2D de l environnement I Consommation nerg tique importante I Incertitude sur les mesures et repr sentation 2D limit e de l environnement A Repr sentation de l environnement sur le sens de la hauteur A Ajout d l ments non actifs et non intrusifs dans l environnement I Sensible aux variations d clairage Balises ultrasoniques Balises infrarouges Signature laser Signature sonars Signature visuelle 2 2 2 M thodes de c
86. ommunication ou par l Internet pr ter distribuer et vendre des th ses partout dans le monde des fins commerciales ou autres sur support microforme papier lectronique et ou autres formats L auteur conserve la propri t du droit d auteur et des droits moraux qui prot ge cette th se Ni la th se ni des extraits substantiels de celle ci ne doivent tre imprim s ou autrement reproduits sans son autorisation In compliance with the Canadian Privacy Act some supporting forms may have been removed from this thesis While these forms may be included in the document page count their removal does not represent any loss of content from the thesis Canada Conform ment la loi canadienne sur la protection de la vie priv e quelques formulaires secondaires ont t enlev s de cette th se Bien que ces formulaires aient inclus dans la pagination il n y aura aucun contenu manquant RESUME Un robot mobile permet d tendre les sens et les capacit s d action des humains dans des environnements vari s Un de ces environnements est le domicile op le robot peut agir pour rendre des services aux occupants directement ou A distance via une interface de communi cation C est dans ce cadre que le travail pr sent dans ce m moire se situe Sp cifiquement pour la conception lectronique et informatique de plate forme mobile t l op r e dans une optique de prestation de soins A domicile en t l sa
87. on des objectifs du robot Le module Ex cutif permet de faire le suivi de l ex cution d une mission du robot comme la rencontre des diff rents points d un trajet suivre Le module Contr le temps r el est compos des Comportements activ s et configur s par le module Ex cutif et de contr leurs PID pour les commandes aux actionneurs du robot Sur T l robot le Planificateur de trajet P Ex cutif et les Comportements sont impl ment s sur l ordinateur Pentium M 1 7 GHz tandis que les contr leurs sont impl ment s m me les microcontr leurs PIC18F d crits au chapitre 3 Les Comportements acheminent une fr quence de 10 Hz les consignes aux contr leurs Planificateur de trajet Ex cutif Contr le temps r el Contr leurs PID des moteurs interface mat rielle Figure 5 1 Exemple d architecture hi rarchique hybride appliqu e la navigation La figure 5 2 illustre plus sp cifiquement l architecture hi rarchique hybride mise en ceuvre pour T l robot Le bloc Localisation sert localiser le robot partir des capteurs d odom trie du NorthStar ou de CARMEN Cette information est requise pour la planification et le suivi CHAPITRE 5 CONCEPTION LOGICIELLE POUR LA PRISE DE DECISION 57 par le Planificateur de trajet et l ex cution par le comportement Goto de trajectoires Le module Ex cutif vient activer les comportements en fonction des commandes provenant de l int
88. onnait la position Le module Lonely identifie une faute lorsqu aucune communication n est re ue avec l interface utilisateur pendant 300 msec activant alors Rest pour des fins de s curit Le module BehaviorActivation regroupe les r gles d activation des comportements en fonc tion des informations obtenues de l interface utilisateur Commandes GUI et des autres CHAPITRE 5 CONCEPTION LOGICIELLE POUR LA PRISE DE DECISION 61 modules de l Ex cutif Une commande de d placement longitudinal ou lat ral provenant de l interface utilisateur se traduit par l activation du comportement Teleop avec des consignes maximales de vitesse qui d pendent du mode d op ration courant normal ou PUSH Le comportement Goto est activ lorsqu il y a au moins un point d un trajet atteindre et que le robot est localis de facon absolue dans l environnement Une commande de suspension via l interface utilisateur du mode de suivi de trajectoire autonome par le robot influence l ex cution de la trajectoire Goto Une requ te d arr t d urgence active le comportement d arr t Rest Les comportements Avoid Floor Avoid Front et Avoid Back sont activ s par d faut L activation du mode PUSH sur l interface utilisateur d sactive le comporte ment d vitement d obstacles avant Avoid Front tout en limitant les vitesses maximales de d placement permises 5 2 Architecture logicielle La mise en uvre de l architecture d cisionnelle est ef
89. ot se compare aux robots Care O BotlII et Secur O Bot au niveau des diff rentes fonctionnalit s disponibles naviga tion et recharge autonome et il est le seul utiliser l ensemble des capteurs de proximit pr sent dans le tableau 2 1 Les algorithmes d vitement d obstacles d velopp s dans le cadre du projet permettent d op rer le robot une vitesse de 250 mm sec De juillet septembre 2006 le robot fut utilis de facon satisfaisante dans des tests exhaustifs portant sur l interface utilisateur avec plus de trente participants et sur une p riode de six semaines sans d montrer de d faillance aux niveaux lectronique ou d cisionnel Parmi les limitations actuelles du prototype les deux principales portent sur l vitement d obstacle avec reprise de trajectoire et la recharge autonome Il est possible de voir la figure 5 12 que le comportement d vitement d obstacle actuel ne permet pas au robot de se rendre son objectif quand il y a un obstacle dans son chemin Le robot va rester sur 76 CONCLUSION 77 place jusqu ce que l op rateur intervienne pour le d gager L utilisation de comportement d vitement d obstacle plus volu permettrait de solutionner ce probl me La recharge au tonome serait n cessaire pour permettre au robot d op rer pour de longues p riodes dans les domiciles Le bloc Survive permet d identifier le besoin de recharge partir du niveau de tension des batteries Il reste lanc
90. que le robot passe sous un cadre de porte Le tableau 4 9 montre l erreur caus e par le niveau du plafond Le syst me CARMEN a des performances similaires celles observ es pr c demment L erreur occasionn e par le NorthStar n est alors plus n gligeable En observant la diff rence entre les moyennes X Y il est possible de voir une diff rence d estimation moyenne de 407 mm et de 241 mm Avec une erreur de cet ordre il est difficile de positionner le robot un endroit ad quat pour lui faire franchir un obstacle e g cadre de porte CHAPITRE 4 LOCALISATION ET PLANIFICATION DE TRAJECTOIRES 49 TABLEAU 4 9 Comparatif du NorthStar et de CARMEN en un point statique Estimation du NorthStar Estimation de CARMEN 11530 171 161 11550 171 978 7420 18 1723 GE 1723 180 7430 11530 172 118 180 7420 11550 172 09 10 cattype 527 8819 iris 12471 0707 0 4 2 Planification de trajectoires La planification de trajectoire s effectue partir d une repr sentation de l environnement Pour les fins du projet l accent n est pas mis sur les capacit s du planificateur de trajectoire mais bien sur son int gration sur le T l robot Nous avons choisi d utiliser une approche par d composition en cellules exactes 6 Elle consiste diviser l espace libre de l environnement en cellules rectangulaires comme le montre la figure 4 3 pour l espace d exp rimentation au LABORIUS La division p
91. r sent e est celle qui a t utilis e lors des tests avec l interface usager du T l robot Elle d finit l environnement du LABORIUS ainsi que les locaux voisins Chaque cellule est d finie par les coordonn es X Y dans le plan de ses quatres sommets desquels il est possible de d terminer un point central Le r le du planificateur de trajectoire est de d terminer un trajet passant par les points centraux des cellules partant de l endroit ou se trouve le robot vers la position de la destination d sir e Il est possible d ajouter au trajet des points de transition entre les cellules La position de ces points est fournie dans le fichier de d finition de l environnement L objectif est de pouvoir optimiser les trajets pour passer plus facilement dans les endroits troits e g cadre de porte partir d une division par cellules il est possible de repr senter les liens entre elles dans un graphe d adjacence comme le montre la figure 4 4 Ce graphe d finit un espace de recherche CHAPITRE 4 LOCALISATION ET PLANIFICATION DE TRAJECTOIRES CARTE E E E E E E C20 E Etavation Z TFOKMAT SOG DANIEL LAROHTE 2006 27 05 MELE Ea miinat Figure 4 3 Division en cellule de l environnement d exp rimentation 50 CHAPITRE 4 LOCALISATION ET PLANIFI
92. s de 5 Par contre CARMEN a de la difficult positionner correctement le robot devant une surface uniforme comme un mur lisse C est l estimation d orientation qui est la plus affect e Une situation similaire survient lorsqu il y a une forme qui est impossible identifier e g pr sence d une foule autour du robot La m thode utilis e pour pallier au probl me est d ajouter des l ments fixes dans l environnement pour augmenter la quantit de points de rep res 4 1 et de limiter la pr sence d individus dans l aire d exp rimentation Dans le cas de nos exp rimentations des boites de carton taient positionn es pr s des murs Le r sultat est que le la surface du mur n apparait plus comme tant lisse CHAPITRE 4 LOCALISATION ET PLANIFICATION DE TRAJECTOIRES 38 l ments ajout s pour us am liorer l estimation de CARMEN 4 77 mm Figure 4 1 Carte de l environnement d op ration CHAPITRE 4 LOCALISATION ET PLANIFICATION DE TRAJECTOIRES 39 4 1 2 Odom trie L odom trie consiste d river la position X Y et l orientation partir des lectures des encodeurs de roues La lecture d un encodeur de roue E s exprime en nombre de pulses par secondes Consid rant qu il y a P pulses 36000 sur T l robot par tour de roue et qu une roue de propulsion du robot a un rayon R 79 5 mm sur T l robot la vitesse d une roue i gauche ou droite est donn e par la relation 4 1 V E 21 R P 4 1
93. sur la base de propulsion 5 6 A en continu 17 Ah disponible 3h En consid rant la consommation de la cam ra web et du vid ophone il faut ajouter 0 733 A celui estim Il ne devrait pas avoir de probl me pour avoir une autonomie de 2 heures 3 2 Interface avec les capteurs La plate forme T l robot doit tre munie de capteurs permettant la localisation du robot et la d tection des obstacles La figure 3 6 illustre les interfaces entre les diff rents systemes du T l robot avec leurs liens de communication Deux cartes d interfaces pour les capteurs de proximit ont t d velopp es pour r duire par deux le temps d acquisition et de traitement par un facteur deux Les cartes d interfaces d velopp es changent des donn es avec le module AZIMUT 2 via un bus de communication CAN Un lien I2C est utilis pour la communication entre les cartes d interfaces des senseurs de proximit et les senseurs Outre le localisateur NorthStar et le laser il fallait positionner des sonars et des infrarouges pour la d tection courte port e Afin d tablir la disposition nous avons valu les champs de perception propres ces capteurs pris individuellement Les tests consistaient placer un obstacle fixe l avant du capteur et comparer la valeur retourn e avec la distance r elle de l obstacle CHAPITRE 3 CONCEPTION ELECTRONIQUE 31 USB M Webcam navigation t RS 232 Laser Module AZIMUT 2 RS 232 NorthStar ee DG
94. sur les murs pour ajouter des points de rep res dans l environnement Un exemple est le robot Sage de l Universit Carnegie Mellon 22 Des marqueurs de couleurs sont dispos s dans l envi ronnement des positions connues par le robot Ils sont positionn s pr s du plafond pour tre facilement d tectables Il existe deux types de marqueurs Les marqueurs 2D sont tout simplement des carr s de couleur rose dispos s aux extr mit s des corridors Le robot peut valuer son orientation par rapport un marqueur selon la position de ce point de rep res dans l image vid o Pour les marqueurs 3D un carr noir est plac l avant du rose partir de la diff rence de grosseur des deux carr s il est possible d valuer la distance du robot par rapport au marqueur en plus d avoir l estimation au niveau de l orientation M thodes de localisation dites mixte Ces m thodes consistent combiner la localisation relative et absolue Par d faut la localisation est faite de fa on relative jusqu ce qu une balise ou un point de rep res ayant une position connue soit identifi La position du Uwww cs cmu edu illah SAGE CHAPITRE 2 ROBOTS ET NAVIGATION DANS LES DOMICILES 16 robot peut alors tre r initialis e par rapport des points absolus de l environnement diminuant les erreurs li es la localisation relative dans la mesure o les rep res sont uniques et pr cis Outre les m thodes pr sent es pr c demment une appr
95. t faits au niveau de la conception lectronique du prototype Le chapitre 4 pr sente les diff rents concepts li s la navigation autonome ainsi que son impl mentation dans le logiciel de contr le Des r sultats de tests de performance sur les diff rents syst mes de localisation sont pr sent s dans ce chapitre Le chapitre 5 traite du fonctionnement et de la mise en uvre du logiciel de contr le haut niveau Diff rents tests sont pr sent s afin de prouver le fonctionnement du prototype ainsi que pour en tablir les performances CHAPITRE 2 ROBOTS ET NAVIGATION DANS LES DOMICILES Cette section pr sente diff rents syst mes et approches en lien avec le projet d crit dans ce m moire La section 2 1 touche les robots existants 4 partir desquels il est possible de s inspirer pour faire le d veloppement de la nouvelle plate forme La section 2 2 passe en revue l ensemble des points li s la probl matique de la navigation autonome en robotique mobile 2 1 Robots existants pour le soutien de personnes domicile Les projets robotiques suivants ont t d velopp s dans le but de r pondre aux besoins de soutien des personnes domicile Chacun des robots pr sent s poss de au moins une caract ristique qui se rapproche au projet L analyse se divise en trois sections La premi re d crit des robots qui interagissent avec des personnes g es ou des patients dans les h pitaux La deuxi me touche les robots de t
96. t Ces tests ont t effectu s en situation optimale de fonctionnement c est dire que l algorithme n a pas de recherche faire et trouve la solution imm diatement car les deux points sont dans la m me cellule Ce choix est fait pour permettre de bien voir le temps qui est n cessaire pour les changes d information entre les blocs logiciels compris dans l architecture De plus des tests ont t faits sur T l robot avec l laboration d un trajet qui couvre diff rentes cellules Le temps additionnel pour la recherche et l laboration d un trajet est d environ 1 msec ce qui est n gligeable devant le d lai complet de l architecture qui est en moyenne 656 msec Le d lai complet de l architecture ne d passe donc pas une seconde ce qui est un temps de r action correct pour ce type de commande 5 3 2 Preuves de fonctionnement des comportements moteurs Dans le cas du comportement d arr t d urgence Rest des tests ont t effectu s pour v rifier le d lai entre le moment o la commande d arr t d urgence est re ue et le moment o les encodeurs de roues confirment que le robot est compl tement arr t Le tableau 5 5 montre les r sultats sur dix essais en fonction de deux vitesses initiales distinctes Les moyennes CHAPITRE 5 CONCEPTION LOGICIELLE POUR LA PRISE DE DECISION 67 TABLEAU 5 4 Temps de r action suite une demande de trajet autonome D lai de l architecture msec Temps recherche msec
97. t positionn sur le robot value sa position en fonction de la puissance a nsi que par l orientation des signaux re us La figure 2 10 pr sente le principe de fonctionnement du systeme et cette explication est pr sent e en d tail la section 4 1 3 Rep rage par signature laser Un capteur laser de proximit comme le SICK LMS 200 couvre une zone de 180 avec une pr cision de 0 5 Il fonctionne sur une distance de 30 m avec une r solution de 10 mm et le taux de rafra chissement des lectures est de 75 Hz Il permet d obtenir une repr sentation pr cise en 2D des l ments structurels entourant le robot Une telle information peut tre utilis e pour situer le robot par rapport une carte de l environnement localisant ainsi le robot de facon absolue par rapport cette connaissance de l environnement Toutefois certains mat riaux comme les vitres et les miroirs peuvent engendrer certaines difficult s de perception C est aussi un capteur qui demande 17 6 W de puissance g n r e 24 Vdc Il p se 4 5 kg et co te 8400 Rep rage par signature de sonars Similaire en principe au rep rage par signature laser cette technique utilise plut t plusieurs sonars de proximit autour du robot pour obte nir la repr sentation 2D de l environnement Bien que les sonars sont moins co teux et 10www sickusa com CHAPITRE 2 ROBOTS ET NAVIGATION DANS LES DOMICILES 15 moins nergivores qu un laser ils sont aussi moins pr
98. t s lectionn es en m me temps lorsque le niveau de tension de la source externe est inf rieur 20 V Dans le cas contraire c est l alimentation externe qui est s lectionn e Les batteries sont prot g es par les disjoncteurs D1 et D2 de 20 A Ces disjoncteurs servent galement d interrupteurs pour d brancher les batteries du reste du syst me Le syst me de gestion d alimentation nerg tique d AZIMUT 2 permet de lire le niveau de tension des batteries et de la source d alimentation externe pr cision 0 1 V le niveau de puissance instantan e pr cision au 0 1 W et de courant pr cision 1 mA La valeur de puissance et par cons quent celle de courant est celle qui transite par le module d alimen tation d AZIMUT 2 Cette valeur consid re la consommation de l ensemble des syst mes embarqu s PC moteurs Toutefois de nouveaux modules ont d tre d velopp s pour les nouveaux l ments int grer au robot soient les sonars et les capteurs infrarouges ceux CHAPITRE 3 CONCEPTION ELECTRONIQUE 29 po Bai d ue Cable de branchement Bak ST d AZIMUT 2 Lo pres Salt M 24V AZIMUT 2 interrupteur module iR pM Base de propulsion boggie v m Chassis de ohm v eee interrupteur chassis tion Lp externe au robot Figure 3 4 Sch ma lectrique pour l alimentation du T l robot orient s vers le sol sont consid r s le vid ophone la cam ra
99. t vers la direction sp cifi e est donc consid r e dans ces mesures 5 3 3 Test de validation du suivi de trajet autonome La derni re s rie de tests sert valider le fonctionnement du syst me de navigation autonome de fa on globale La capacit du T l robot suivre un trajet dans un environnement r el a t d montr pr c demment Il faut maintenant faire la preuve que le robot est en mesure de g n rer et de suivre un trajet qui passe par diff rentes cellules Les tests ont t faits en utilisant l environnement de simulation Stage La raison pour utiliser cet environnement CHAPITRE 5 CONCEPTION LOGICIELLE POUR LA PRISE DE DECISION 72 TABLEAU 5 9 Distance entre le point d arr t du robot et le dernier objectif vis Test Distance de l objectif mm 1 189 2 186 3 188 4 185 5 193 6 7 8 9 10 Moyenne 189 Ecart type 4 325 Coefficient de variation 0 023 est qu il est difficile de faire passer le T l robot dans des endroits troits e g cadre de porte Ceci est d au comportement d vitement d obstacle Avoid Front qui bloque le robot quand il se trouve trop pr s d un obstacle un choix fait pour les exp riences r alis es de fagon concurrente sur l interface usager Par contre il n y a pas de diff rence au niveau du code utilis pour la g n ration et le suivi de trajet en fonctionnement avec le robot ou en simulation L
100. tacle le plus pr s est une distance de 50 cm ou moins limite ext rieure par rapport au ch ssis du robot Il arr te CHAPITRE 5 CONCEPTION LOGICIELLE POUR LA PRISE DE DECISION 58 Capteurs IR Laser Sonars i M Avoid Front Vitesse maximale lin aire rotation Avoid Back Vitesse lin aire rotation p P t i A B9 Point atteint Point X Y Th ta atteindre Localisation X Y Theta Figure 5 3 Impl mentation du module Comportements compl tement quand l obstacle se trouve 10 cm et moins limite int rieure Les deux valeurs sont sp cifi es m me le comportement et elles sont facilement modifiables Un algorithme lin aire est utilis pour ralentir le robot entre ces deux valeurs limites Le robot est compl tement arr t si l obstacle est trop pr s du robot Ce choix fut fait pour laisser un plus grand contr le l op rateur du robot lors des tests de l interface utilisateur La figure 5 4 illustre le fonctionnement de cet algorithme Ce sont les mesures retourn es par le capteur laser qui sont pr sentement utilis es par ce comportement D apr s des tests qualificatifs dans un environnement r el il a t d termin d utiliser une zone qui couvre 60 par rapport l avant du robot Cette couverture est valable car le robot ne peut pas se d placer de facon lat rale et la pr sence d obstacles sur les c t s ne vient pas nuire
101. terrupteurs de contacts sont galement utilis s pour identifier la pr sence d obstacles partie grise fonc e gauche de la figure 2 9 a 2 1 4 Sommaire Le tableau 2 1 r sume les diff rentes caract ristiques des robots pr sent s Les m thodes de contr le t l op ration ou navigation autonome sont les points principaux consid rer Ces informations sont utiles pour mettre en vidence le niveau technologique des plate formes 9 www irobot com images consumer cs Roomba owners manual pdf CHAPITRE 2 ROBOTS ET NAVIGATION DANS LES DOMICILES 11 Cliff Sensor Openings Contact Points for Home Base Edge Cleaning maeme pet Side Brush Replaceable JH Caster Wheel Battery ai Discovery Scheduler only _Dirt Detect Sensor a b Figure 2 9 Robot Roomba images tir es du manuel d utilisation du robot 12 CHAPITRE 2 ROBOTS ET NAVIGATION DANS LES DOMICILES 9 qruodsrp uou UOIJEULIOQUI IN 9djQureip p More menZuol J Moyney U apuadeyT So rorurop so suep uorje1od ooegins op 988407J9N suorjouo O0T 0 simojdnxuoqur 30qoun OLE Loge Pp x sosnoieipu UN equiooy er919ururoo 49 ot13snpur ott uo uorje1od oouv roAmsoro T Suorjouojg v16 roqour 00008 G PE LEV soSnore1jup ZHN 008 IIId
102. ts de 20 piles branch es en s rie Batt1 et Batt2 ce qui donne une tension r sultante de 24 Vdc pour chaque paquet Avec une capacit nerg tique de 17 Ah il est th oriquement possible d atteindre une autonomie de 3 87 heures ce qui r pond la sp cification Le temps de recharge des batteries est d environ 3 heures Les chargeurs Ch1 et Ch2 servent recharger les batteries tandis que la source d alimentation 24 V permet d alimenter le robot lorsque les batteries se rechargent Il est ainsi possible d utiliser les diff rentes fonctionnalit s du T l robot sauf bien entendu sa mobilit Il a fallu ajouter un branchement entre les deux cartes de gestion d alimentation pour amener la tension de la source externe la carte de gestion de T l robot Cette m thode tait plus simple que de modifier la prise o se branche le c ble de branchement sur AZIMUT 2 Un point important consid rer est que le module d alimentation doit fournir une tension en tout temps qu il soit en recharge ou en op ration Le but est d viter que diff rents syst mes ne red marrent suite une intervention sur le robot Le temps de r action du syst me lors d un branchement ou d branchement de l alimentation externe doit tre assez rapide Un circuit lectronique g re la s lection de la source d alimentation qui est utilis e par le robot La s lection des sources est repr sent e par des interrupteurs sur la figure 3 4 Les deux batteries son

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