MASTER NEUROSCIENCES Spcialit Neurosciences Intgratives et Cognitives Robotique
MASTER NEUROSCIENCES Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives Robotique Mobile Autonome Comportementale dans ses dimensions Capteurs et Effecteurs Pierre Mallet CNRS, UMR Mouvement et Perception, Marseille pierre. mallet@univmed. fr Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V
PLAN DU COURS 1. Présentation 2. Vocabulaire, Définitions 3. Robots Mobiles Autonomes, une grande diversité… 4. Systèmes de mobilité 5. Systèmes de localisation 5. 1 Localisation relative 5. 2 Localisation absolue 5. 3 Méthodes de localisation 6. Systèmes de perception de l’environnement 7. Le projet WAD 8. Exercices pratiques Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06 2
Introduction, Vocabulaire… l Robotique Mobile Autonome Un robot mobile autonome est une machine agissant 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 (mouvement propre et interaction robot/objets). (Bernard Espiau INRIA Rhône Alpes « La Science au Présent 2001 » édité par l’Encyclopaedia Universalis) l Comportementale Cette approche suppose l’existence d’un ensemble de comportements élémentaires d’action-réaction, très simples, qui par leur assemblage plus ou moins automatique conduit à un comportement global du robot complexe et adapté à l’environnement. Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06 3
Robots mobiles autonomes… une grande diversité… l Robot à chenilles l Robot volant l Robot nageur l Robot à roues l Robot humanoïde 1, humanoïde 2 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06 4
Quelques domaines actuels d’application l Nucléaire : maintenance, démantèlement d’installations, l Spatial : l Sous-marin : torpillerie légère autonome, inspection et l Agriculture : l Activités ludiques : compétitions de robots ( « Robocup » ) décontamination, inspection et intervention en cas d’accident … pose d’une lentille sur le téléscope Hubble, exploration martienne et petit robot Sojourner… réparations de structures offshore, exploration du TITANIC, cartographie des fonds, missions en émissaires (eaux, égoûts), pose de câbles de télécommunications et de puissance … robots cueilleurs de fruit, planteurs, désherbage robotisé, guidage de véhicules agricoles, traite automatique des vaches laitières… qui mobilisent de nombreux chercheurs et étudiants… Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06 5
Les applications émergentes Santé Positionnement dans l’espace des capteurs d’écographie ou des patients eux-mêmes, fauteuils roulants intelligents, chirurgie cardiaque, oculaire, du cerveau, applications de formation, d’évaluation, d’entrainement dans lesquelles on associe réalité virtuelle et gestes assistés par robotique, neuroprothèses. Véhicules automatiques Assistance à la conduite automobile (utilisant largement les résultats des travaux sur les robots mobiles en localisation, évitements d’obstacles, planification de mouvement), petits véhicules volants ou drônes (dirigeables, avions, hélipcoptères) pour applications militaires, de cartographie automatique, d’inspection de lignes haute tension ou de localisation d’accidentés en montagne. Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06 6
Systèmes de mobilité sur solide l Mobiles à roues : Les plus répandus pour des raisons de l Mobiles à chenilles : meilleure adhérence au sol. Utilisées l Mobiles à pattes : utilisés sur des terrains avec de grandes l Mobiles se mouvant par reptation : utilisés pour la simplicité de conception et de commande. Sauf structure mécanique particulière, le déplacement se fait uniquement selon la tangente au mouvement des roues. Le robot est dit non holonome. Le robot est dit lorsque le sol est perturbé, essentiellement en extérieur. La commande est réalisée en imposant une différence de vitesse aux chenilles droite et gauche. différence d’amplitude où il est nécessaire de choisir des points d’appui. La conception et la commande de tels mécanismes sont complexes. progression dans des galeries ou des tuyaux. Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06 7
Systèmes de mobilité. Mobiles à roues l Robots à roues omnidirectionnelles l Robots à roues différentielles : deux roues motrices l Robots de type « tricycle » : équipés d’un essieu l Robots de type « voiture » : conventionnelles non orientables et deux roues folles. arrière fixe muni de deux roues non orientables et d’une roue avant centrée orientable. essieu arrière non orientable muni de deux roues non orientables et libres en rotation et deux roues avant centrées orientables. Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06 8
Systèmes de localisation l Définition : Ensemble des capteurs et des techniques permettant au véhicule de naviguer de manière autonome ou semiautonome dans son environnement. l La localisation relative : permet au véhicule de naviguer l La localisation absolue : utilise les mesures des capteurs à l’estime ( « dead reckoning » ) en utilisant uniquement les mesures de ses mouvements propres fournies par ses capteurs proprioceptifs. extéroceptifs pour estimer la position du véhicule dans un repère lié à l’environnement. Les capteurs extéroceptifs permettent de recaler périodiquement la localisation obtenue par la mesure des mouvements. Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06 9
Systèmes de localisation relative Capteurs proprioceptifs L’odométrie : Ø Fournit une estimation en temps réel de la position (x, y) et du cap θ d’un véhicule navigant sur un sol plan, par rapport au repère de référence qui était celui du véhicule dans sa configuration initiale. Ø Précision correcte sur de faibles distances. Ø Technique basée sur l’intégration des mouvements angulaires élémentaires des roues au moyen de codeurs incrémentaux. Ø Sources d’erreurs : imprécision des paramètres géométriques du véhicule (rayon des roues, base du véhicule), ainsi que les phénomènes de glissement et/ou de patinage des roues non pris en compte. 10 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Systèmes de localisation relative Capteurs proprioceptifs Codeurs incrémentaux 11 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Systèmes de localisation relative Capteurs proprioceptifs (suite) Accéléromètres : mesure de la force F à laquelle est soumise une masse pour en déduire son accélération qui, intégrée deux fois, permet d’estimer le déplacement linéaire du véhicule. (accéléromètres à jauges de contrainte, piézorésistifs, à détection capacitive, pendulaires à déplacement asservis) Capteurs à effet Doppler : Une onde radioélectrique de fréquence f est émise vers le sol avec une inclinaison par rapport à la direction de déplacement du véhicule. La variation de fréquence entre le signal émis et le signal reçu est proportionnelle à la vitesse du véhicule Gyroscopes : appareils permettant d’effectuer une mesure de la rotation absolue de son boitier. On distingue les gyroscopes mécaniques qui utilisent les propriétés inertielles de la matière et les gyroscopes à laser qui utilisent les propriétés de la lumière cohérente (gyro laser). 12 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Systèmes de localisation relative Capteurs proprioceptifs (suite) Gyromètres : Un gyromètre est un gyroscope à un axe, doté d’un rappel élastique (ressort ou moteur couple) et d’un amortissement visqueux autour de son axe de sortie. C’est un capteur de vitesse angulaire L’intégration de cette mesure de vitesse de rotation permet d’obtenir une estimation de l’angle de cap d’un véhicule. Compas Magnétiques : mesure absolue du cap par rapport à la direction du nord géographique. Sensible aux masses magnétiques environnantes. Impossible de les utiliser à l’intérieur d’un bâtiment. Inclinomètres : mesure des angles d’attitude (tangage et roulis) sur le principe des accéléromètres pendulaires. Sensibles à la gravité terrestre mais aussi à toute accélération extérieure qui leur est appliquée (mouvements de l’engin, vibrations, chocs). 13 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Systèmes de localisation absolue Capteurs extéroceptifs GPS (Global Positioning System) : l Ensemble de 24 satellites l Répartis sur 6 plans orbitaux tous inclinés d’environ 55 ° sur l’équateur (orbite circulaire de rayon environ 20000 km). l Chaque satellite envoie des informations permettant de l’identifier et de le localiser. l Les mesures de plusieurs satellites (au moins 3) sont nécessaires pour estimer les coordonnées (longitude, latitude, altitude) du mobile à localiser. l Précision : …. une dizaine de mètres depuis Mai 2000 14 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
15 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Systèmes de localisation absolue Capteurs extéroceptifs (suite) Détecteurs de balises artificielles : Les balises artificielles plus courantes sont les balises optiques passives de type catadioptres qui ont la propriété de renvoyer la lumière dans la direction de l’incidence. La lecture de ces balises se fait généralement à l’aide d’un émetteur récepteur laser à faisceau tournant. Télémètres : Le principe consiste à mesurer le temps mis par une onde électromagnétique ( ultrasonore, infrarouge, visible) pour parcourir la distance à mesurer, c’est à dire celle qui sépare le capteur de la cible sur laquelle vient se réfléchir cette onde. Télémètres acoustiques : Ces capteurs sont basés sur la mesure directe du temps de vol d’ une onde ultrasonore produite en excitant une céramique piézo-électrique à l’aide d’impulsions de fréquence voisine de 40 k. Hz. Une deuxième céramique convertit l’onde réfléchie par l’obstacle en un signal électrique. 16 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Systèmes de localisation absolue Capteurs extéroceptifs (suite) Télémètres acoustiques 17 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Axe acoustique du transducteur Cône 30° Sonar (Transducteur) Obstacle Onde transmise Echo amplifié Génération onde incidente Amplification dynamique du signal écho Circuit à seuil Horloge Début de transmission Date de réception Durée de l’aller retour 18 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Systèmes de localisation absolue Capteurs extéroceptifs (suite) l Télémètres optiques : Les ondes optiques utilisées en télémétrie sont produites par une diode laser fonctionnant en mode continu ou pulsé pour émettre un faisceau de lumière monochromatique généralement dans le rouge (λ=670 nm), l’infrarouge ou le proche infrarouge (780 nm <λ <850 nm). …. La cohérence spatiale de la lumière laser permet d’obtenir des faisceaux de très faible divergence et de luminance élevée. En robotique, on distingue la télémétrie impulsionnelle et la télémétrie à différence de phase. L’acquisition d’images de distance 2 D ou 3 D nécessite l’emploi d’un système mécanique (miroir tournant) qui permet au faisceau laser d’effectuer un balayage plan ou spatial (en site et en azimut) de la scène. 19 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Méthodes de localisation l Paramètres de localisation : Ils sont au nombre de 6 dans un espace 3 D. Il s’agit des 3 coordonnées cartésiennes de l’origine du repère Rr attaché au robot dans le repère de référence R 0 attaché à l’environnement, et des 3 paramètres qui définissent l’orientation de Rr dans R 0. l l Navigation à l’estime : Odométrie et Navigation inertielle Localisation absolue : sur balises artificielles ou naturelles l l sur carte 2 D de l’environnement Localisation par analyse d’image vidéo Localisation par système multicapteur (fusion) 20 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Méthodes de localisation Navigation à l’estime Odométrie Y 0 Modèle d’évolution d’un robot à roues différentielles se déplaçant dans un plan (X 0, Y 0). (Xr, Yr) = repère attaché au robot Yr ΔD et Δθ = déplacement et rotation élémentaires du robot θk yk ΔD =(Δdd+Δdg) / 2 Δθ = (Δdd-Δdg) / E E Xr xk E : voie du véhicule Δdd et Δdg = déplacements élémentaires des roues droite et gauche 21 X 0 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Y 0 Méthodes de localisation Navigation à l’estime Yk+1 θk +1= θk+ Δθk Yr θk yk E Δθk Xr xk xk+1 X 0 22 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Méthodes de localisation Navigation à l’estime Y 0 Yk+1 θk +1 Yr xk+1= xk+ΔDkcos(θk) θk yk E yk+1= yk+ΔDksin(θk) Δθk xk+1= xk+ΔDkcos(θk+Δ θk/2) yk+1= yk+ΔDksin(θk+Δ θk /2) Xr xk xk+1 23 X 0 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Méthodes de localisation Localisation absolue sur balises La position d’un véhicule dans un référentiel lié à l’ environnement peut être obtenue à partir de la mesure d’indices facilement identifiables par le système sensoriel. Ces indices peuvent être des balises artificielles, passives ou actives, positionnées à priori en des points connus de l’environnement. On peut également utiliser des balises naturelles c’est à dire des indices géométriques simples (ponts, droite, arcs de cercle…) dont la présence n’est pas toujours assurée. Lorsque le véhicule se déplace dans un plan, les balises sont localisées grâce à la mesure directe de leur angle de gisement et ou de leur distance relativement au repère du capteur extéroceptif utilisé 24 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Méthodes de localisation Localisation absolue sur balises Triangulation J Y 0 B 1 D d 3 d 1 B 1 α 1 d 1 Φ α 2 B 3 B 2 d 2 M B 2 d 2 I M X 0 25 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Méthodes de localisation Localisation absolue sur cartes 2 D de l’environnement l Principe : mise en correspondance d’un modèle local de l’environnement acquis en ligne (ultrasons, télémètre laser à balayage), avec un modèle global préalablement mémorisé. l Estimation de la position courante (x, y, θ) du véhicule dans un référentiel attaché au modèle global. l Le modèle de référence est soit un modèle CAO de l’environnement, soit un modèle construit à partir de données acquises par le système télémétrique du robot. l Avantages et inconvénients : estimation temps réel possible, aucun équipement particulier de l’environnement n’est nécessaire, modélisation en ligne possible ce qui augmente la fiabilité de la localisation et la connaissance de l’environnement. La carte de référence doit être précise et l’ environnement relativement statique. 26 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Caractéristiques différentes techniques de localisation 1/2 Technique Type de localisation Odométrie sur Relative : mesure roues motrices de cap et de position. Gyroscope à fibre Relative : mesure optique de cap Domaine d’utilisation Mise en oeuvre Performances Étendue de mesure Intérieur et extérieur sur terrain plat Simple Forte dérive Erreurs sur sol irrégulier Illimitée Indifférent Simple Dérive faible quelques ° /h Illimitée Inclinomètres Absolue : Mesure de tangage et de roulis Sol lisse Mouvement uniforme Simple Bonnes si pas d’accélérations parasites Erreur <0, 1° 0° à 90° Compas magnétique Absolue : mesure de cap Extérieur. Milieu dépourvu de perturbations magnétiques Simple Erreur : quelques dixièmes de degré Illimitée Indifférent Simple Précision : qqs Illimitée dixièmes de degré Faible dérive : qqs degrés /h Extérieur Simple Précision : qqs cm à qqs mètres en mode différentiel Centrale Relative : mesure inertielle des trois angles d’attitude de type d’attitude strap-down GPS Absolue : mesure de position (x, y, z) Illimitée 27 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Caractéristiques différentes techniques de localisation 2/2 Technique Type de localisation Domaine d’utilisation Mise en oeuvre Performances Étendue de mesure Localisation 2 D Absolue 2 D : sur balises mesure de position optiques et de cap artificielles Intérieur Installation et modélisation du champ de balises Erreur 1à 5 cm en position et < 1° en orientation < 20 m Localisation 3 D Absolue 3 D : sur balises mesure de position optiques (x, y, z) et artificielles d’attitude ( , , ) Extérieur Installation et modélisation du champ de balises Précision : fonction de la distance des balises 100 m à 300 m en distance et 10 à 30° en inclinaison Mise en correspondance de cartes Absolue : mesure de position et de cap Intérieur Milieu relativement structuré Acquisition Erreur : < 20 cm préalable d’une en position et < 5° carte de référence en orientation Vision dynamique Absolue ou relative 3 D : mesure à un facteur d’échelle près Indifférent Algorithmes complexes. Temps de calcul élevé Stéréovision Absolue ou relative 3 D Indifférent Algorithmes complexes. Temps de calcul élevé Fonction de la portée du télémètre 28 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Systèmes de Perception de l’Environnement… Perception de l’environnement : Elle peut se définir par l’ensemble des fonctions d’acquisition de mesures et de traitement d’informations, permettant l’analyse et ou la modélisation de l’environnement du robot, dans le but de supporter la prise de décision et la génération de commandes. Pour percevoir leur environnement, les robots utilisent des capteurs d’environnement, encore appelés senseurs. 29 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Systèmes de Perception … Classification des capteurs en robotique Capteurs internes (proprioceptifs) : Pour un robot manipulateur, il s’agit des capteurs de position, vitesse, couple au niveau de chaque articulation au moyen de potentiomètres codeurs, génératrices tachymétriques. Pour un robot mobile, il s’agit des capteurs de cap, vitesse, attitude au moyen de gyrocompas, accéléromètres, profondimètre, odomètre… Capteurs d’environnement (externes, senseurs extéroceptifs, ) : Ils délivrent une information relative à l’environnement (reconnaissance, modèle) ou aux interactions entre le robot et son environnement (position, force). 30 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Systèmes de Perception … Classification des senseurs Les systèmes de vision : l l Vision 2 D : information de type image numérique (2 D) transmise par une caméra observant un environnement statique. Vision globale / vision locale. Vision 3 D active (par exemple à partir de télémétrie laser) ou passive (par stéréovision) Vision dynamique combinant perception visuelle et perception du mouvement (analyse du mouvement de certaines entités dans l’image ou vision par caméra mobile) Les senseurs proximétriques : l l l Perception locale, sans contact physique avec l’environnement Détection de présence d’un objet dans le champ du capteur Capteurs optiques, capteurs magnétiques, capteurs ultrasonores 31 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Systèmes de Perception … Classification des senseurs (suite) Les senseurs de contact : l l Senseurs d’effort : délivrent 3 composantes de force et 3 composantes de couple Senseurs tactiles (peau artificielle) : matrice de cellules sensibles à la force de pression. 32 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Références • Pour La Science Dossier hors série - Janvier/Avril 2003 • Applications non manufacturières de la robotique sous la direction de Pierre Dauchez. Editions Hermès Oct 2000 • Capteurs et méthodes pour la localisatio des robots mobiles par Marie-José Aldon – Techniques de l’Ingénieur, traité Informatique Industrielle S 7 852 -1. • La Robotique Histoire et Perspectives Bernard Espiau INRIA Rhône - Alpes Janvier 2000 • Robots mobiles autonomes Alain Pruski Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R 7 850 -1. 33 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
AUTONOMOUS MOBILE ROBOTICS AND WHEELCHAIR ATTRACTOR DYNAMICS PROJECT 34 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
One behavior Obstacle avoidance Seven infrared sensors visibility between 0. 2 m to 0. 6 m. Two behaviors Target acquisition and obstacle avoidance integrated according dynamic approach. 35 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Moving toward a target while avoiding obstacles tar obsi X For Dynamic Approach, behaviors are generated by obtaining current values for a set of behavioral variables (heading direcion Φ and speed υ of the wheelchair) from the solutions of a dynamical system, which depends parametrically on current sensory information. : heading direction of the wheelchair in the external frame. tar : direction in which the target lies in the external frame. obsi : each infrared sensor i specifies in that direction a contribution to obstacle avoidance 36 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Cinématique V = Vitesse linéaire du véhicule ω = Vitesse angulaire du véhicule Vg Vd V = (Vd+Vg) / 2 ω (=d /dt) = (Vd-Vg) / D = 0 D Vg Vd D V = (Vd+Vg) / 2 ω(=d /dt) = (Vd-Vg) / D 0 37 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Obstacle avoidance is coded into repulsive contributions to the dynamics of Fixed point at the direction obsi , in which infrared distance sensor number i is pointing. Slope is positive, so that heading direction is repelled from that direction. Strength i(d) of the repulsion (slope of the force-let) is modulated by the distance d currently measured at each sensor. Short distances are associated with strong repulsion, larger distances with weak repulsion. Range i(d), over which this repulsive force-let acts, is limited and modulated with measured distance. At short distances, stronger avoidance turns are needed to avoid obstacles than at larger distances. 38 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
CONTROLS THE STRENGTH OF REPULSION. IS A DECREASING FUNCTION OF THE SENSED DISTANCE. 39 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
i CONTROLS THE ANGULAR RANGE OVER WHICH THE OBSTACLE EXERTS ITS REPULSIVE EFFECT 40 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Contribution of the target direction to the dynamical system ftar( ) = – tarsin( - tar) Target acquisition is coded into a contribution to the dynamics of heading direction , which takes this form : ftar( ) = – tarsin( - tar) Fixed point at the direction tar in which the target lies. tar is computed by integrating the motors commands to estimate the current wheelchair position relative to the position when a target was entered by the user. Slope is negative, so that heading direction is attracted towards that direction : the rate of change is positive for orientations to the left of the fixed point, leading to growth towards that fixed point, while it is negative for orientations to the right of the fixed point, leading to decrease towards the fixed point. Range over which this contribution exibits attractive force effect is the entire full circle ( from 0 to 2 ). 41 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
INTEGRATING THE TWO BEHAVIORS Obstacle and target contributions are summed : = fobs( ) + ftarg( ) This differential equation generates values in time for the behavioral variable , which controls the Wheelchair’s action. gives the angular velocity of the wheelchair around its center. Precedence of obstacle avoidance is accomplished making the strength of the obstacle contributions stronger than the target contribution : obs >> tar 42 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
CONTROL OF DRIVING SPEED Since the wheelchair is moving in its environment, sensory information changes, and attractors and repellors shift. To keep the system stable ie in, or near an attractor, the wheelchair’s linear velocity must be controlled. Two design parameters, as maximal rates of change for repellor ( ) and attractor ( ) are used to obtain a good tracking. In first approximation, we can derive this maximal rate of shift of the fixed points as a function of the wheelchair’s linear velocity : and . A second differential equation is so defined for linear velocity control, according the two constraints (target acquisition and obstacle avoidance) With angular velocity and linear velocity we can compute the rotation speed of both wheels, which are sent as set points to the velocity servos of the two motors. . 43 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
An indoor environment built with a simulator. The dimensions of doors, walls and wheelchair are realistic. The target is placed at a position with respect the reference point (position 1). Initial heading direction is 90 degrees. 44 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
WAD Project P. Mallet UMR Mvt & Perception Marseille, G. Schöner Institut für Neuroinformatik Bochum Allemagne Jean Marie Pergandi Université de Bordeaux Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V
OBJECTIF du projet WAD l Fournir une aide à la navigation en fauteuil roulant électrique (en environnement domestique) 46 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Comment ? l En dotant le fauteuil de fonctions automatiques de navigation qui sont : l Un évitement d’obstacles sécurisé l Une atteinte de destination choisie par le pilote 47 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Architecture du Projet WAD 48 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Evitement des obstacles au moyen de capteurs infrarouges 49 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
50 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Estimation de la position courante au moyen de Codeurs incrémentaux 51 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Essais…. 52 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Essais en environnement domestique Atteinte de la cible C 3 53 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Interface Homme - Machine et Ergonomie Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V
Interface Homme Machine et Fauteuil Autonome Personnes ciblées : Personnes en situation de handicap moteur ayant des capacités réduites au niveau des membres supérieurs (aucun déficit intellectuel). Description générale de l’activité : Tâche « classique » = contrôle manuel du déplacement au moyen du joystick Tâche « informatique » = désignation d’un lieu de destination et tâches de choix (validation, corrections…) via une interface graphique et motrice 55 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Interface Homme Machine et Fauteuil Autonome Interface motrice : L’ interface motrice retenue est le joystick. Interface visuelle : Un écran affiche les informations utiles ( espace de déplacement, trajectoire, perception de l’environnement … ). 56 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Critères ergonomiques Fitts (1953), Scapin et Bastien (1993) 1 - Principe de la maîtrise du véhicule Le passage du mode automatique au mode manuel doit être simple et rapide 2 – Principe d’interruption temporaire de l’activité L’utilisateur peut à tout moment interrompre son activité quelle que soit la tâche en cours de réalisation, puis revenir là où il s’était arrêté. 3 - Principe de la distance et de la taille des boutons loi de Fitts, 1953 : « le temps de mouvement mis pour atteindre une cible est proportionnel à sa distance et inversement proportionnel à sa taille » 4 - Principe d’actions simples 5 - Principe d’apprentissage minimal 57 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06 ………
1 - Présentation de l’entreprise 2 - Présentation du contexte 3 - Conception et réalisation 4 - Conclusion 58 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Rajouter intra pièce 59 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
1 - Présentation de l’entreprise 2 - Présentation du contexte 3 - Conception et réalisation 4 - Conclusion 60 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Perspectives…. Poursuite des essais en laboratoire au sein de L’UMR Mouvement et Perception (Directeur : Jean-Louis Vercher) l l Construction d’un second prototype en partenariat avec un industriel Merci de votre attention 61 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Perception Naturelle & Perception Artificielle Vue l Ouie l Odorat l Toucher l Goût l Appareil vestibulaire l Vision camera l Microphone l Nez électronique l Senseur haptique l Langue électronique l Capteurs inertiels (accéléromètres, gyroscopes) l 62 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Perception Naturelle & Perception Artificielle Vision Naturelle • Réfraction de la lumière par la cornée et le cristallin (focalisation) • Mise au point par le cristallin et les contractions des muscles ciliaires • Ajustement de la taille de la pupille pour maximiser la profondeur de champ 63 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Perception Naturelle & Perception Artificielle Vision Naturelle Les caractéristiques de la rétine sont à l’origine de la distinction entre vision centrale et vision périphérique l 2 types de photorécepteurs sensibles à la lumière dans la rétine : l les cônes : résolution spatiale élevée et faible sensibilité à la lumière 140 000 cônes / mm carré sur la fovéa (diamètre = 4 mm). l les bâtonnets : résolution spatiale faible et forte sensibilité à la lumière l 64 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Perception Naturelle & Perception Artificielle Vision Naturelle Spectre d’absorption des 4 pigments photosensibles de la rétine humaine normale 65 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Perception Naturelle & Perception Artificielle Vision Naturelle l Vision centrale (ou fovéale) : seulement une dizaine de degrés du champ visuel, mais une résolution spatiale très élevée. Sert à l’identification des objets et donne la direction du regard par rapport à la position de la tête et du corps. l Vision périphérique : couvre un champ visuel large, transmet des informations relatives au mouvement de l’environnement par rapport à la rétine. l Système oculomoteur : a pour rôle de rediriger le regard vers les zones où l’information doit être prélevée. Cette proprioception oculomotrice donne au système nerveux la position exacte de l’œil dans l’orbite. 66 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Perception Naturelle & Perception Artificielle Système vestibulaire humain l l Deux organes otolithiques : le saccule et l’utricule Trois canaux semi-circulaires 67 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Perception Naturelle & Perception Artificielle Système vestibulaire humain Les otolithes : sensibles aux accélérations linéaires et aux inclinaisons de la tête par rapport à la verticale, définie par le champ de pesanteur terrestre Seuils de détection : 0. 005 G dans le plan horizontal 0. 01 G dans le plan vertical. 1. 5 ° d’inclinaison de la tête. l Les canaux semi-circulaires détectent les accélérations angulaires. Seuils de détection : 0. 14 °/s 2 pour les canaux horizontaux 0. 5 °/s 2 pour les autres canaux. l l Le rôle de l’appareil vestibulaire est de détecter l’ensemble des mouvements de la tête selon les six degrés de liberté (3 en rotation et 3 en translation) 68 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Perception Naturelle & Perception Artificielle Système auditif humain Oreille moyenne : la chaîne des osselets Protection du tympan par 2 muscles qui déterminent la raideur globale du système 69 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Perception Naturelle & Perception Artificielle Système auditif humain Oreille interne : en forme de limaçon creusé dans l’os du rocher Les cellules sensibles sont disposées sur la membrane basilaire, à l’intérieur du canal cochléaire, qui est rempli de liquide 70 (endolymphe) Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
Perception Naturelle & Perception Artificielle Système auditif humain Performances du système auditif humain Perception de l’intensité d’un son Perception de la hauteur d’un son Perception du timbre d’un instrument de musique Extraction d’une conversation au milieu d’une foule bruyante Localisation d’une source sonore (écoute binaurale) 71 Master Neurosciences - Spécialité Neurosciences Intégratives et Cognitives - Cours de Robotique P. Mallet V_06
- Slides: 71