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En anglais
RÉSUMÉ
La navigation autonome est devenue l’un des enjeux technologiques majeurs du XXIe siècle. Les besoins de mobilité sont immenses en robotique de service et dans les transports. Plusieurs systèmes de localisation sont aujourd’hui disponibles : le GPS civil, très performant, mais souffrant d’une précision variable (de 5 m à 30 m) en fonction de la météo et de l’environnement, la vision par ordinateur, coûteuse en termes de ressources calculatoires mais aussi sensible aux variations de la luminosité, limitant ainsi son utilisation en extérieur. Directement inspiré de la fourmi du désert Cataglyphis, le robot hexapode AntBot se localise en comptant ses foulées et mesure sa distance parcourue (odométrie) visuellement en intégrant le défilement visuel
du sol. Son cap, quant à lui, est estimé à l’aide d’une boussole céleste. AntBot se repositionne avec une erreur d’à peine 7 cm, soit presque 100 fois plus faible que celle du GPS civil.
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Autonomous navigation has become one of the major technological challenges of the 21st century. Mobility needs are immense in service robotics and transports. Several location systems are now available: civilian GPS, which is very efficient, but suffers from variable accuracy (from 5m to 30m) depending on the weather and the environment, computer vision, expensive in terms of computing resources but also sensitive to variations in light, thus limiting its use outdoors. Directly inspired by the Cataglyphis desert ant, the AntBot hexapod robot is located on the basis of step counting and visual odometry by integrating the visual scrolling of the ground, while its heading is estimated using a celestial compass. AntBot repositioned itself with an error of just 7 cm, almost 100 times lower than the civilian GPS.
Auteur(s)
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Julien DUPEYROUX : Docteur, Aix-Marseille Université
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Stéphane VIOLLET : Directeur de recherche, CNRS
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Julien SERRES : Maître de Conférences, Aix-Marseille Université
INTRODUCTION
Un des instruments de navigation du robot AntBot repose sur un compas céleste détectant le rayonnement diffusé par l’atmosphère en bande spectrale ultraviolette (UV). Cet instrument est inspiré de la partie dorsale des yeux composés des insectes, et plus particulièrement de la fourmi du désert Cataglyphis fortis. Ce compas céleste bio-inspiré est doté de seulement deux photodiodes surmontées de filtres polarisants linéaires rotatifs permettant de balayer la voûte céleste, mesurant ainsi l’angle de polarisation (AdP) – noté mathématiquement ψ – de la lumière du ciel afin de fournir une information de cap au robot. Le modèle de détermination du cap s’inspire de celui proposé par Thomas Labhart (Université de Zürich, Suisse) sur la vision de la polarisation chez le grillon. Bien que ce modèle biologique doive être considéré avant tout comme une vue de l’esprit, il n’en reste pas moins très intéressant de par sa parcimonie sensorielle pour développer des instruments bio-inspirés capables de fournir une information de cap. Les performances de ce nouvel instrument de navigation décrites dans cet article attestent du caractère novateur, minimaliste, fiable et robuste de cette boussole optique pour l’estimation du cap d’un véhicule autonome naviguant en environnement extérieur.
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KEYWORDS
vision | Biomimicry | navigation | hexapod | celestial compass | bionics | biorobotics
DOI (Digital Object Identifier)
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La perception de la lumière polarisée chez les fourmis du désert
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2. Le robot hexapode AntBot
La question du nombre de pattes du robot pourrait sembler anodine, et pourtant c’est précisément le nombre de pattes qui va déterminer les performances dynamiques du robot, lesquelles auront une incidence certaine sur la perception de l’environnement et sur la navigation autonome. Tout d’abord, la conception d’un robot hexapode se justifie fondamentalement par la nécessité de faire coïncider le plus possible la machine avec l’animal, c’est-à-dire la fourmi du désert dont nous nous inspirons et qui, parce que c’est un insecte, possède six pattes réparties le long de son thorax. Par ailleurs, notre choix d’utiliser un robot hexapode, et non doté de quatre ou huit pattes, voire même bipède, se justifie également d’un point de vue de l’efficacité. En effet, les robots quadrupèdes consomment moins d’énergie mais sont par essence très instables. Cette instabilité est due au fait qu’à chaque instant, une des quatre pattes est en transfert et met donc en porte-à-faux l’ensemble de la plateforme. À l’inverse, un robot hexapode sera toujours stable, s’il marche en mode tripode, comme le font les insectes, assurant ainsi que la plateforme repose toujours sur un trépied formé par trois pattes réparties symétriquement et en contact avec le sol. La consommation énergétique est cependant plus importante. Enfin, un robot octopode n’offrirait pas de différence significative en termes de stabilité, mais le coût énergétique serait à coup sûr un inconvénient pour l’automatisation du robot.
La robotique à pattes est un défi technique et technologique à bien des égards. Depuis les toutes premières machines hexapodes créées à la fin des années 1960, un grand nombre de progrès ont été réalisés tant au niveau mécatronique qu’au niveau algorithmique, notamment pour le développement de la locomotion adaptative. Les avantages qu’offrent de tels robots sont nombreux, en effet, la majeure partie des organismes vivants ont des pattes leur permettant ainsi de s’adapter à leur environnement. Un robot à pattes peut donc se déplacer sur n’importe quel type de surface accidentée ou non, sauter par-dessus des obstacles et grimper sur des structures. C’est également un formidable outil pour comprendre la locomotion dans le règne animal. Pourtant les robots à roues restent aujourd’hui les plus répandus pour plusieurs raisons : ils sont très faciles à développer, coûtent bien...
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Le robot hexapode AntBot
BIBLIOGRAPHIE
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