Nouvelle approche de recherche de trajectoire pour robot autonome dans un environnement inconnu

Définition du robot

Il existe plusieurs définitions d’un robot : nRobot n.m. (du tchèque robota, travail forcé, corvée). Définition 1 : Dans les œuvres de science-fiction, machine à l’aspect humain, capable de se mouvoir, d’exécuter des opérations, de parler. Définition 2 : (Technique). Appareil automatique qui, capable de manipuler des objets ou d’exécuter des opérations selon un programme fixe ou modifiable, voir par apprentissage. Un appareil automatique qui peut effectuer des fonctions normalement effectués par des humains. Traduit du dictionnaire Webster’s .
[Dans des œuvres de fiction sc]. Machine, automate à l’aspect humain capable d’agir et de parler comme un être humain…
[Domaine technique]. Appareil effectuant, grâce à un système de commande automatique à base de micro-processeur, une tâche précise pour laquelle il a été conçu dans le domaine industriel, scientifique ou domestique.
Machine automatique dotée d’une mémoire et d’un programme, capable de se substituer à l’homme pour effectuer certains travaux.

Evolution de la robotique

Le défi de DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) donne un bon aperçu de la vitesse de progression de la robotique. En 2004, l’objectif de ce défi était de réaliser une navigation autonome de 96 km, en ville, tout en respectant le Code de la route et en prenant en compte la circulation extérieure : piétons et autres voitures non automatiques. En 2004, aucune voiture n’a pu réaliser plus de 11.78 km. En 2005, cinq véhicules ont terminées cette couse dont l’équipe la plus rapide était celle de Stanford avec un temps total de 6 heures et 54 minutes.
En 2012, un autre défi a été réalisé par Google c’est de conduire un aveugle de son domicile à un commerce local par une voiture automatique.
Le rapport PIPAME sur Le développement industriel futur de la robotique personnelle et de service en France (Erdyn Consultants, 2012) estime qu’en 2015, au niveau mondial, le marché de la robotique de service personnelle représentera 8 milliards de dollars tandis que le marché de la robotique de service industrielle représentera, quant à elle, 18 milliards de dollars .

Domaines d’applications

Le domaine de la robotique est en plein essor depuis quelques années. Les évolutions technologiques, dépassant sans cesse nos espérances, elles permettent de réaliser des solutions technologiques s’adaptant au moindre problème.
La robotique est utilisée dans beaucoup de domaines qui sont extrêmement rigoureux et exigeants. Nous allons explorer quelques domaines.
Exploration : NASA utilise les robots dans l’exploration d’autres planètes (exemple de Sojourner en 1997 , et Spirit en 2003) ; pour beaucoup de raison l’un est l’économie. Les robots sont utilisés aussi dans l’exploration sous-marine.
Industriel : Les robots sont utilisés très largement dans le domaine de l’industrie, l’assemblage des voitures et des cartes électroniques, la peinture, le transport, le nettoyage,…
Agriculture : L’agriculture est l’un des nouveaux domaines où la robotique est introduite, il existe maintenant des robots pour faire la majorité des travaux agricoles, allant de la plantation jusqu’à la récolte.
Militaire : Les robots sont de plus en plus utilisés dans le domaine militaire. Les armés modernes se convergent vers l’utilisation des robots à la place des soldats, les robots sont utilisés dans les missiles intelligentes, les missions de reconnaissance et d’espionnage (guerre de golf 2000 et 2003, guerre de Lebanon 2006),…
Civile : Dans ces jours, il n’est pas étonnant de trouver un robot qui fait le ménage, le nettoyage ou même la cuisine.
Médical : Le domaine médical n’est pas une exception, des nouveaux techniques sont découvertes, les robots interviennent dans la chirurgie, ainsi que la télé-chirurgie. Le robot « Da Vinci » est un robot médical qui peut opérer et diagnostiquer les patients. 1242 exemplaires étaient utilisés dans le monde en juin 2009 .
On voit aussi apparaitre un nouveau domaine de recherche Cyborg [contraction de «CYBernetic ORGanism» (organisme cybernétique]. Le cyborg est la fusion de l’être organique et de la machine. En 1964, l’université de Melbourne a attribué à Clynes le diplôme de «D. Sc» (Docteur en Science).
Musique : Il n’est pas étonnant de voir un robot chef d’orchestre. En première mondiale le 17 mai 2008 un robot industriel FANUC ROBOTICS a dirigé deux morceaux classiques face à un ensemble instrumental à cordes à PARIS à la Cité des Sciences et de l’Industrie. Les morceaux joués étaient l’Andante festivo de SIBELIUS, et les Danses roumaines de BARTOK .

Types de robots

Robot manipulateur : Ce type de robot est généralement ancré et ne se déplace pas dans son lieu de travail, il est conçu généralement pour faire des tâches uniques et répétitives ou précises. Robot mobile : Ce type de robot a la possibilité de se déplacer dans son lieu de travail. Contrairement au robot manipulateur ce type de robot peut évoluer de type autonome dans son environnement. Les robots mobiles sont souvent désignés (catégorisés) par leurs types de déplacement, ci-dessous quelques types de robots mobiles.
Mobiles à pattes : ce type est utilisé sur des terrains dont il existe une grandes différence d’amplitude, son déplacement se fait en utilisant plusieurs pattes. Ce type de robot est plus performant par contre sa conception et commande est plus complexe.
Mobiles à chenilles : Ce type de robot se caractérise par une meilleure adhérence au sol. Utilisées dans les terrains accidentés ou perturbés. Le changement de direction se fait en imposant des vitesses différences aux chenilles droite et gauche.
Mobiles à roues : Ce type de robot est le plus répandu à cause de la simplicité de conception et de commande. Pas structure mécanique particulière. Le robot est dit holonome s’il peut tourner à toutes directions.
Mobiles se mouvant par reptation : ils sont plus utilisés dans le domaine militaire. Ce type de robot se déplace par reptation dans des galeries ou des tuyaux.
Volatile : Parmi les robots volatiles existants les drones sont les plus répondus (faux-bourdon; sigle militaire : UAV = Unmanned Aerial Vehicle) est un aérodyne sans pilote embarqué et télécommandé qui peut emporter une charge. Ce type de robots est destiné à des missions de surveillance, de renseignement, d’exploration, de combat, ou de transport .
Robot flottant et sous-marine : ils sont utilisés pour différent raisons tel que l’étude de vie sous-marine, l’étude de pollution, l’exploration, etc. voir par exemple .
Malgré la diversité des types de robot les algorithmes de recherche de trajectoire sont presque les mêmes. Les différences se trouvent dans les commandes des mouvements et de direction.

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Le GPS

Global Positioning System en français système de localisation mondial : un système de géolocalisation fonctionnant au niveau mondial. Entièrement opérationnel et accessible au grand public (avec certaines limitations comme la précision maximale).
Ce système comprend 24 satellites répartis sur 6 plans orbitaux tous inclinés d’environ 55° sur l’équateur (orbite circulaire de rayon environ 20000 km) . Un capteur GPS capte les signaux d’au moins quatre satellites, la précision de ce système est à 10 mètres pour les capteurs qui ne disposent pas un code qui correspondant à la précision maximale (l’erreur de précision était presque 300m avant mai 2000) .
A noter que l’utilisation de ces capteurs nécessite une puissance de calcul et une horloge de grande précision surtout si on utilise des capteurs à utilisation civile (qui ne disposent pas d’accès à la précision maximale des satellites), une erreur d’un millionième de seconde dans la synchronisation entre l’horloge du capteur et celle du satellite provoque une erreur de 300 mètres sur la position .
Pour cette raison de précision (surtout dans certaines zones) on voit tendance de coupler ce type de capteurs avec d’autres types de capteurs tel que les capteurs sonar par exemple ou des caméras RGB-D , d’autres utilisent plusieurs algorithmes de navigation en même temps.

Table des matières

1. INTRODUCTION 
1.1. DEFINITION DU ROBOT
1.2. LA ROBOTIQUE
1.3. EVOLUTION DE LA ROBOTIQUE
1.4. DOMAINES D’APPLICATIONS
1.1.1. Exploration
1.1.2. Industriel
1.1.3. Agriculture
1.1.4. Militaire
1.1.5. Civile
1.1.6. Médical
1.1.7. Musique
1.5. TYPES DE ROBOTS 
1.5.1. Robot manipulateur
1.5.2. Robot mobile
2. NAVIGATION
2.1. PERCEPTION DE L’ENVIRONNEMENT
2.2. LES DIFFERENTS TYPES DE CAPTEURS
2.2.1. Capteurs proprioceptifs
2.2.2. Capteurs extéroceptifs
2.3. LOCALISATION
3. METHODES DE RECHERCHE DE TRAJECTOIRE
3.1. METHODES BUG
3.1.1. Avantages
3.1.2. Inconvénients
3.2. METHODES HEURISTIQUES
3.2.1. Avantages
3.2.2. Désavantages et problèmes
3.3. CHAMPS DE POTENTIEL
3.3.1. Avantages
3.3.2. Inconvénients
3.4. ALGORITHMES GENETIQUES
3.4.1. Avantages
3.4.2. Inconvénients
3.5. AUTRES METHODES 
4. METHODES BUG D’EVITEMENT D’OBSTACLES
4.1. L’ALGORITHME BUG1
4.2. L’ALGORITHME BUG2 
4.3. L’ALGORITHME ALG1 
4.4. L’ALGORITHME ALG2
4.5. AUTRES VARIATIONS DES ALGORITHMES BUG1 ET BUG2 
4.5.1. L’algorithme BUGM
4.5.2. L’algorithme BUG3
4.6. L’ALGORITHME AVE 
4.7. L’ALGORITHME DISTBUG
4.8. ALGORITHME TANGENTBUG
4.8.1. La version de base de l’algorithme Tangent BUG
4.8.2. La version finale de Tangent BUG
4.9. K-BUG 
4.10. POINT BUG
4.11. L’ALGORITHME DYNAMIC POINT BUG 
5. APPROCHES PROPOSEES
5.1. AVANTAGES DE L’ALGORITHME POINT BUG 
5.2. PROBLÈMES DE L’ALGORITHME POINT BUG 
5.2.1. Tours infinis
5.2.2. Omission des chemins
5.2.3. Tests d’arrêts
5.3. SOLUTION PROPOSÉE
5.4. SIMULATION
6. CONCLUSION ET PERSPECTIVES
6.1. CONCLUSION GENERALE 
6.2. PERSPECTIVES 
7. REFERENCES

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