Soutenance mémoire
Généralités sur la robotique mobile
Depuis les années 1960, la robotique mobile a connu un essor considérable. Les progrès techniques ont permis en effet la construction de robots de plus en plus perfectionnés : de nombreux périphériques, une puissance de calcul accrue et des moyens de communication performants. Ainsi, la mobilité autonome des robots est devenue un sujet de recherche développé par tous les pays industrialisés ; qu‟il s‟agisse de robots mobiles à pattes, à roues ou même sous-marins et aériens, les applications sont vastes et multiples : robots de services, surveillance, construction, nettoyage, manipulation de charges, automobile intelligente, robots d‟intervention, robots d‟exploration planétaire ou de fonds marins, satellites, robots militaires, etc. De ce fait, le marché potentiel de la robotique est devenu considérable, même s‟il faut pour cela résoudre des problèmes plus importants et plus fondamentaux que prévus, initialement, dans la quête vers la machine intelligente [TIG96].
Définition d’un robot mobile
Un robot mobile est un système mécanique, électronique et informatique qui agit physiquement sur son environnement en vue d’atteindre un objectif qui lui a été assigné. Cette machine est polyvalente et capable de s’adapter à certaines variations de ses conditions de fonctionnement. Elle est dotée de fonctions de perception, de décision et d’action. Ainsi, le robot devrait être capable d’effectuer, de différentes manières, des tâches diverses et d‟accomplir correctement sa propre tâche, même s’il rencontre de nouvelles situations inopinées [www3].
L‟appellation « robot mobile » rassemble tous les types de robots dont la caractéristique commune est la faculté de se mouvoir. Cependant, la manière qui dépend du domaine d‟utilisation des robots, fait la différence de ces derniers. Ainsi, la mobilité par les roues est, par exemple, la structure mécanique la plus communément appliquée. Cette technique assure, selon l‟agencement et les dimensions des roues, un déplacement dans toutes les directions avec une accélération et une vitesse importantes.
Composants matériels d’un robot mobile
À la base, un robot mobile est constitué de composants matériels et logiciels. Parmi les premiers (composants matériels), on trouve une plateforme mobile à laquelle sont rattachés tous les autres composants comme les capteurs, les actionneurs et une source d‟énergie (batteries). D‟autres organes tels que des bras manipulateurs peuvent lui être ajoutés pour une application particulière [BEA06].
Autonomie d’un robot mobile
Le robot mobile est un agent physique doté de capacités de perception, de décision et d‟action qui réalise des tâches dans son environnement. Le but est de permettre au robot d‟interagir, rationnellement et automatiquement (sans intervention humaine) [LAT91], avec son entourage. Cette nouvelle machine est caractérisée par sa capacité d‟être programmée pour effectuer des tâches très diverses en mettant en œuvre, en particulier, un ensemble de capteurs et d‟actionneurs [BOR96]. Ces capacités en matière de manipulation d’objets lui permettent de s’intégrer dans des lignes de production industrielle où elle (la machine) se substitue à l’homme dans les tâches difficiles, répétitives ou à risque pour l’être humain. Le problème posé par l’étude de l‟autonomie d’une machine peut être résumé en la détermination de la commande qui doit être envoyée aux actionneurs à chaque fraction de temps et ce, en connaissant, d’une part, la mission à accomplir, et d’autre part, en acquérant des valeurs retournées par les différents capteurs. Il s’agit également, connaissant les buts à atteindre, de déterminer un lien entre la perception et l’action. Nous considérons qu’un système est autonome si [CUE05] :
– Il est capable d’accomplir, sans intervention humaine, les objectifs pour lesquels il a été conçu.
– Il est capable de choisir ses actions afin d’accomplir ses missions.
Une machine autonome peut être définie comme étant l‟association d‟un système d’intelligence artificielle avec des capacités de perception, de modélisation de son environnement et de son propre état. Elle doit être aussi dotée de facultés d‟action sur son propre état et sur son environnement. Pour cela, le robot doit suivre le schéma correspondant au paradigme (Percevoir-Décider-Agir) [REI94]. La figure I.3 (a) présente l’interaction du robot avec son environnement. La manière dont le robot mobile gère ses différents éléments est définie par son architecture de contrôle qui peut éventuellement faire appel à un modèle interne de l’environnement ou une stratégie intelligente pour lui permettre de planifier ses actions à long terme.
Bien que, comme nous le verrons par la suite, plusieurs architectures existent au niveau de la satisfaction de ce paradigme, l’activité d’un tel robot se ramène aux tâches suivantes :
– Percevoir : le robot doit acquérir des informations sur l’environnement dans lequel il évolue par l’intermédiaire de ses capteurs. Ces informations permettent de mettre à jour un modèle de l’environnement (architectures hiérarchiques ou délibératives) ou peuvent être directement utilisées comme entrées de comportement de bas niveau (architectures purement réactives).
– Décider : le robot doit définir des séquences d’actions résultant d’un raisonnement appliqué sur un modèle de l’environnement ou répondant de manière réflexe à des stimuli étroitement liés aux capteurs.
– Agir : il doit exécuter les séquences d’actions élaborées en envoyant des consignes aux actionneurs par l’intermédiaire des boucles d’asservissements.
Selon Steels, un système est autonome s’il développe les lois et les stratégies qui lui permettent de contrôler son comportement [STE95]. En fait, l’autonomie est une capacité relative et on peut considérer qu’il existe une progression insensible du niveau le plus bas au plus élevé. Elle représente la capacité à choisir une stratégie, en termes de sous-buts pour arriver à un but fixé. La limite basse de l’autonomie est constituée par un système automatique qui s’autorégule en fonction de lois préétablies, i.e. qui ne génère pas les lois que les activités de régulation cherchent à satisfaire. L’autonomie désigne littéralement la capacité d’une entité à « se gouverner par ses propres lois ». Cela signifie entre autres le choix de ses buts. Dans la littérature robotique, on peut distinguer trois points de vue :
– L’autonomie au sens fort qui nous ramène à des questions de volonté et de but propre.
– L’autonomie au sens faible qui désigne la capacité de maintenir sa structure au sein d’un milieu complexe à travers des mécanismes tels que l’auto-organisation, l’évolution, l’adaptation et l’apprentissage.
– L’automatisme ou l‟absence de contrôle extérieur est le sens implicite que l’on attribue généralement au mot autonomie.
« S’adapter » consiste, pour un robot, à modifier son comportement pour faire face à des changements internes ou externes afin de maintenir certaines propriétés. L’adaptation se rapporte toujours à quelque chose : adaptation d’un groupe à la panne d’un individu, adaptation à la présence de passants dans l‟environnement, …etc. Les bases de l’autonomie sont concrètement les propriétés qu’un robot doit exhiber pour être autonome, par exemple:
– Navigation et localisation pour accéder à tous les points de l’environnement.
– Surveillance, c’est-à-dire détection d’évènements anormaux.
– Efficience dans son travail, en adoptant une stratégie de patrouille.
Un robot complètement autonome n’est pas forcément souhaitable. On peut vouloir en prendre le contrôle à certains moments ou intervenir indirectement à travers la modification de certains paramètres. Le terme d’autonomie ajustable désigne justement l’interruption temporaire de l’automatisme, du fait d’un superviseur ou de l’agent lui même, afin d’accroître l’efficacité du système [SEM04]. Le choix du degré d’automatisme dont doit être doté un agent autonome dépend de l‟architecture de contrôleur.
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Table des matières
Introduction Générale
Chapitre I : Les Robots Mobiles
I.1. Introduction
I.2. Contexte
I.3. Généralités sur la robotique mobile
I.3.1. Définition d’un robot mobile
I.3.2. Composants matériels d’un robot mobile
I.4. Autonomie d’un robot mobile
I.5. Classification des robots mobiles
I.5.1. Robot mobile à roues
I.5.2. Robot mobile utilisant la chenille
I.5.3. Robot mobile à pattes
I.5.4. Autres moyens de locomotion
I.6. Les capteurs
I.6.1. Capteurs intéroceptifs
I.6.2. Capteurs extéroceptifs
I.7. Les Actionneurs
I.8. Composants décisionnels d’un robot mobile
I.8.1. La vision
I.8.2. Localisation
I.8.3. Représentation de l’environnement
I.8.4. Planification
I.8.5. Navigation
I.9. Détection d’obstacles et localisation
I.9.1. Détection d’obstacles et cartographie
I.9.2. Fusion de données multi capteurs et cartographie
I.9.3. Localisation
I.9.4. Localisation et cartographie simultanées
I.10. Problèmes en robotique mobile
I.11. Les grands axes de recherche dans la robotique mobile
I.12. Conclusion
Chapitre II : La navigation
II.1. Introduction
II.2. Le problème de navigation
II.3. Planification de mouvement
II.3.1. Planification globale de trajectoire
II.3.2. Planification locale de trajectoire
II.4. Localisation
II.5. Le cheminement
II.5.1. Méthodes sans trajectoire
II.5.2. Méthodes de suivi de trajectoire
II.5.3. Les algorithmes génétiques
II.5.3.1. Description détaillée
II.5.3.2. Parallélisme
II.5.4. Synthèse des méthodes de navigation
II.6. Évitement d’obstacles
II.6.1. Présentation
II.6.2. Méthodes d’évitement d’obstacles sans trajectoire de référence
II.6.3. Méthodes d’évitement d’obstacles avec une trajectoire de référence
II.7. Parking
II.8. Architectures de contrôle des robots mobiles
II.8.1. Approche délibérative (penser puis agir)
II.8.2. Approche réactive
II.8.3. Approche hybride
II.8.4. Approche collective
II.9. Conclusion
Chapitre III : Les systèmes multi -robots
III.1. Introduction
III.2. Problématique
III.3. Architecture et décision mono-robot
III.3.1. La prise de décision
III.4. De l’homogénéité à l’hétérogénéité
III.5. Communication et coopération dans les systèmes multi-robots
III.5.1. La coopération de robots
III.5.2. Projets effectifs et tâches génériques pour la robotique collective
III.5.2.1. Transport et manipulation coopérative d’objets
III.5.2.2. Mouvement en formation
III.5.2.3. Fourragement
III.5.3. La communication
III.5.3.1. Communication de haut niveau
III.5.3.2. Communication de bas niveau
III.5.3.3. Communication indirecte
III.6. Différentes approches méthodologiques pour faire coopérer un ensemble de robots
III.6.1. Approche Informatique « Système Multi-Agents »
III.6.2. Approche Automatique « Robotique Collective »
III.7. Conclusion
Conclusion Générale
