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Ce mémoire traite le problème du contrôle et de la réalisation de taches référencées vision pour la navigation d'un robot mobile. Le contrôle d'un robot mobile par asservissement visuel 2D (positionnement ou suivi par rapport à un objet) nous permet d'affranchir de la reconstruction globale de l'environnement afin de déplacer le robot. Nous présentons une étude sur le comportement de l'asservissement visuel 2D, notamment pour empêcher que la cible sorte du champ de vue de la caméra. Nous avons abordé ce problème dans l'espace image et dans l'espace articulaire du robot. Nous décrivons deux approches pour effectuer l'évitement d'obstacles lors de l'exécution d'un asservissement visuel 2D. La première est basée sur la méthode de potentiels classiques. La deuxième est inspirée des méthodes du vortex et du suivi de chemins pour éviter les puits de potentiels. Avec ces approches nous pouvons exécuter l'asservissement visuel 2D sans avoir de problèmes si des obstacles se présentent. Nous illustrons la possibilité d'exprimer l'exécution d'un plan à partir de commandes d'asservissement visuel 2D. Nous décrivons seulement la nature du modèle nécessaire pour planifier une trajectoire sous la forme d'une séquence d'actions. L'évaluation de plusieurs méthodes nous a permis de réaliser une tâche hybride, puis nous proposons une méthode d'enchaînement de commande successive du plan lors du déplacement d'un robot mobile. Les méthodes que nous avons développées ont été partiellement mises en œuvre sur un des robots de la famille Hilare du LAAS CNRS. Tout d'abord, nous avons intégré le suivi de segments nécessaires pour réaliser la tache aller vers 4 points. Dans le but d'utiliser l'asservissement visuel 2D pour des cibles dynamiques, nous avons intégré sur le robot la méthode de Hausdorff qui permet de s'asservir sur une cible et de la centrer dans l'image.
CETTE THESE TRAITE LE PROBLEME DE L'UTILISATION DE LA VISION ARTIFICIELLE EN ROBOTIQUE MOBILE. LA CONTRIBUTION PRESENTEE EST ORIENTEE SELON QUATRE AXES: TOUT D'ABORD, LES STRUCTURES MATERIELLES ADAPTEES A L'EXECUTION D'ALGORITHMES DE VISION BAS-NIVEAU ONT ETE ETUDIEES: CARTES SPECIALISEES DATACUBE ET MACHINE PARALLELES A RESEAU DE TRANSPUTERS. LE SECOND AXE TRAITE DU SUIVI ET DE LA LOCALISATION D'OBJETS 3D DANS UNE SEQUENCE D'IMAGES, BASE SUR UNE PREDICTION AU PREMIER ORDRE DU MOUVEMENT DANS LE PLAN DES IMAGES ET UNE VERIFICATION PAR RECHERCHE DE CLIQUES MAXIMALES DANS LE GRAPHE DES APPARIEMENTS COMPATIBLES. LA LOCALISATION REPOSE SUR LES SOMMETS DE L'OBJET ET NECESSITE AU MOINS CINQ SOMMETS. UN MODULE DE MODELISATION DYNAMIQUE DE L'ENVIRONNEMENT UTILISANT LA FUSION NUMERIQUE ENTRE UN MODULE DE STEREOVISION TRINOCULAIRE ET UN MODULE DE SUIVI DES PRIMITIVES APPARIEES EST PRESENTE ENSUITE. IL PERMET D'ACQUERIR DES DONNEES TRIDIMENSIONNELLES ROBUSTES EN FUSIONNANT LES OBSERVATIONS 2D SUCCESSIVES D'UN SEGMENT 3D ISSU DE LA STEREOVISION. ENFIN, LE DERNIER AXE CONCERNE L'INTEGRATION D'UN TEL SYSTEME DE PERCEPTION DANS L'ARCHITECTURE DE CONTROLE D'UN ROBOT MOBILE POUR REALISER DIFFERENTES FONCTIONS: MOUVEMENTS ASSERVIS SUR LA VISION, MODELISATION DE L'ENVIRONNEMENT. LES MODULES FONCTIONNELS IMPLEMENTANT LA VISION, AINSI QUE LES INFORMATIONS QU'ILS ECHANGENT AVEC LES AUTRES MODULES SONT MIS EN EVIDENCE, DE MEME QUE LA MANIERE DONT CES MODULES INTERAGISSENT AVEC LA STRUCTURE DE CONTROLE DU ROBOT. DIFFERENTES EXPERIMENTATIONS REALISEES SUR LE ROBOT HILARE 1.5 ONT PERMIS DE VALIDER LES ALGORITHMES ET LES CONCEPTS PROPOSES
Vision-based control of wheeled mobile robots is an interesting field of research from a scientific and even social point of view due to its potential applicability. This book presents a formal treatment of some aspects of control theory applied to the problem of vision-based pose regulation of wheeled mobile robots. In this problem, the robot has to reach a desired position and orientation, which are specified by a target image. It is faced in such a way that vision and control are unified to achieve stability of the closed loop, a large region of convergence, without local minima and good robustness against parametric uncertainty. Three different control schemes that rely on monocular vision as unique sensor are presented and evaluated experimentally. A common benefit of these approaches is that they are valid for imaging systems obeying approximately a central projection model, e.g., conventional cameras, catadioptric systems and some fisheye cameras. Thus, the presented control schemes are generic approaches. A minimum set of visual measurements, integrated in adequate task functions, are taken from a geometric constraint imposed between corresponding image features. Particularly, the epipolar geometry and the trifocal tensor are exploited since they can be used for generic scenes. A detailed experimental evaluation is presented for each control scheme.
MOTIVES PAR LES PERFORMANCES DE NAVIGATION DES INSECTES VOLANTS, NOUS AVONS CONCU ET SIMULE INTEGRALEMENT UNE BOUCLE VISUO-MOTRICE DESTINEE A PILOTER UN ROBOT MOBILE EN NOUS INSPIRANT DE L'ARCHITECTURE DU SYSTEME VISUEL ET DES COMPORTEMENTS VISUELLEMENT GUIDES DE LA MOUCHE. L'ANALYSE VISUELLE DU MOUVEMENT DES CONTRASTES DE L'ENVIRONNEMENT EST EFFECTUEE PAR UN IL COMPOSE DURANT LE DEPLACEMENT DU ROBOT. DEUX PROXIMETRES DECENTRES ET MOBILES, DONT LE PRINCIPE REPOSE ENCORE SUR LA DETECTION DU MOUVEMENT, ASSURENT LA VISION DANS UNE ZONE FRONTALE PROCHE DE LA DIRECTION DE TRANSLATION, QUELLE QUE SOIT LA VITESSE. CET ENSEMBLE SENSORIEL POSSEDE UNE ZONE DE PERCEPTION CIRCULAIRE DONT ON MONTRE QUE LE RAYON VARIE PROPORTIONNELLEMENT A LA VITESSE. UN COMPORTEMENT REACTIF REPARTI EXPLOITE CETTE PARTICULARITE POUR DETERMINER LES CARACTERISTIQUES DU PAS SUIVANT A PARTIR DE LA REPRESENTATION EPHEMERE DE L'ENVIRONNEMENT LOCAL ELABOREE A L'ISSUE DE CHAQUE TRANSLATION ELEMENTAIRE. LA REGULATION DE LA VITESSE S'EFFECTUE PAR LE MAINTIEN DES OBSTACLES A L'EXTREMITE DU CERCLE DE VISION TANDIS QUE LE CONTROLE DE L'ORIENTATION EST REGIT PAR UN EVITEMENT TANGENTIEL DES OBSTACLES. LES COMMANDES MOTRICES DE LA PLATE-FORME (HOLONOMIQUE) RESULTENT DE LA FUSION ANALOGIQUE DES VITESSES ET DES ANGLES DE BRAQUAGE PROPOSES PAR CHACUNE DES VOIES COMPORTEMENTALES. L'ENSEMBLE SE PRESENTE SOUS LA FORME D'UN FAISCEAU DE TRAITEMENT PARALLELE ET ANALOGIQUE. CE SYSTEME VISUO-MOTEUR PERMET A UN ROBOT DE NAVIGUER A VITESSE VARIABLE ET SANS COLLISION DANS UN ENVIRONNEMENT A PRIORI INCONNU. SANS FAIRE APPEL A UNE ANALYSE GLOBALE DE L'ENVIRONNEMENT, LE ROBOT EST CAPABLE DE RESOUDRE DES SITUATIONS REPUTEES ARDUES TELLES QUE LE SUIVI DE PAROI ET LA SORTIE D'IMPASSE. CE TRAVAIL SOULIGNE L'INTERET QUI DOIT ETRE PORTE AUX SOLUTIONS, SOUVENT SIMPLES, EFFICACES ET ROBUSTES, MISES EN UVRE PAR LA NATURE ET QUI OFFRENT DES PERFORMANCES ETONNANTES POUR UN FAIBLE NIVEAU DE COMPLEXITE DONC DE COUT
LES TECHNIQUES, DESORMAIS CLASSIQUES, D'ASSERVISSEMENT VISUEL, SONT UTILISEES POUR LA COMMANDE DE BRAS MANIPULATEURS OU LA VISION ACTIVE MAIS IL N'EXISTAIT PAS ENCORE D'APPLICATIONS EN ROBOTIQUE MOBILE. LE PROBLEME PRINCIPAL DE L'UTILISATION DE CES TECHNIQUES POUR UN ROBOT MOBILE EST DU A LA PRESENCE DE LIAISONS MECANIQUES NON-HOLONOMES QUI LIMITENT LES MOUVEMENTS DU ROBOT. NOUS PROPOSONS UNE APPROCHE ORIGINALE ET GENERALE UTILISANT LA COOPERATION DES MOUVEMENTS D'UNE BASE MOBILE MUNIE D'UN BRAS MANIPULATEUR QUI PORTE UNE CAMERA. LE FAIT DE CONTROLER LES MOUVEMENTS DE LA CAMERA PLUTOT QUE CELUI DE LA BASE PERMET DE CONTOURNER LES LIMITATIONS DES CONTRAINTES NON-HOLONOMES EN CONSIDERANT L'ENSEMBLE MECANIQUE BASE ET BRAS. CETTE MODELISATION PERMET D'UTILISER LE FORMALISME DE LA COMMANDE REFERENCEE VISION DESTINEE EN PREMIER LIEU AUX BRAS MANIPULATEURS RIGIDES. EN UTILISANT LA NOTION DE LIAISONS VIRTUELLES, NOUS ENUMERONS ET ILLUSTRONS EN SIMULATION UN ENSEMBLE DE TACHES ELEMENTAIRES REFERENCEES VISION DESTINE A GUIDER UN ROBOT MOBILE PLACE DANS UN ENVIRONNEMENT STRUCTURE D'INTERIEUR DE TYPE BUREAU. POUR LA REALISATION DE TACHES ROBOTIQUES PLUS COMPLEXES COMPOSEES D'UN ENCHAINEMENT DE TACHES ELEMENTAIRES, NOUS DONNONS UN CADRE FORMEL POUR GERER LES PROBLEMES DE TRANSITION ENTRE TACHES REFERENCEES VISION. NOUS AVONS MENE CES TRAVAUX DES SPECIFICATIONS A L'EXPERIMENTATION (REALISATION D'UN ROBOT MOBILE, ENVIRONNEMENT DE PROGRAMMATION). FINALEMENT, POUR VALIDER TOUTE CETTE APPROCHE, NOUS AVONS IMPLEMENTE UNE TACHE DE POSITIONNEMENT VIS A VIS D'UN CONE
LA GENERATION DES DEPLACEMENTS D'UN ROBOT MOBILE DANS UN ENVIRONNEMENT INCONNU OU IMPARFAITEMENT CONNU NECESSITE, GENERALEMENT, UN PASSAGE A TRAVERS PLUSIEURS COUCHES FONCTIONNELLES (PERCEPTION, MODELISATION, PLANIFICATION ET ACTION). LES TRAVAUX PRESENTES CONCERNENT POUR L'ESSENTIEL LA DERNIERE COUCHE, QUI, LIEE A LA PERCEPTION, SERA CHARGEE DE L'EXECUTION DU MOUVEMENT DU ROBOT EN FONCTION DES RETOURS SENSORIELS SUR L'ETAT DE L'ENVIRONNEMENT. LA PREMIERE PARTIE PRESENTE LES ACTIONS DE DEPLACEMENT DE BASE DONT LE ROBOT MOBILE DOIT DISPOSER ET PROPOSE UNE PREMIERE METHODE POUR INTEGRER PLANIFICATION ET EXECUTION PAR ACTIONS REFLEXES. NOUS PROPOSONS DEUX NOUVEAUX POTENTIELS POUR LA COMMANDE DU MOUVEMENT SANS COLLISION DES ROBOTS MOBILES NON-HOLONOMES ET DEVELOPPONS LEUR APPLICATION SUR LE SUIVI DE TRAJECTOIRE SANS COLLISION. LA DEUXIEME PARTIE PROPOSE UNE NOUVELLE ARTICULATION ENTRE PLANIFICATION ET EXECUTION QUI CONDUIT A UN SYSTEME DE NAVIGATION ROBUSTE BASE SUR DES ACTIONS PLUS ELABOREES, DITES REFERENCEES CAPTEURS, QUI SONT EGALEMENT FONDEES SUR LA METHODE DES POTENTIELS MAIS AVEC UN FORMALISME ET UNE EXPRESSIVITE PLUS RICHES APPELE POTENTIEL DE TACHE. PLUSIEURS ACTIONS FONDAMENTALES, CORRESPONDANT A DIFFERENTES INSTANCIATIONS DU POTENTIEL DE TACHE, SERONT PRESENTEES ET INTEGREES DANS UN SYSTEME QUI INCLUT CES ACTIONS ET LEUR CONNEXION A UN PLANIFICATEUR AVEC INCERTITUDES. LA DERNIERE PARTIE PROPOSE UNE APPROCHE BASEE SUR LA TECHNIQUE DES BANDES ELASTIQUES QUI PERMET LA MODIFICATION DYNAMIQUE DU CHEMIN POUR LES ROBOTS DU TYPE VOITURE EN UTILISANT LA METRIQUE DE REEDS & SHEPP. LA TRAJECTOIRE EST CONSTITUEE D'UNE SEQUENCE DE BULLES CONNEXES OU CHAQUE BULLE REPRESENTE UN SOUS-ESPACE D'ACCESSIBILITE DANS L'ESPACE LIBRE. L'EXECUTABILITE DE CETTE TRAJECTOIRE EST ASSUREE PAR UNE GENERATION DE COURBES DE BEZIER, QUI GARANTISSENT LES CONTRAINTES CINEMATIQUES DU ROBOT, ET DONT LES ENVELOPPES CONVEXES RESTENT A L'INTERIEUR DE CES BULLES
Les travaux présentés dans cette thèse concernent la reconstruction tridimensionnelle de l'environnement d'un robot mobile, à partir d'informations de vision omnidirectionnelle, pour la préparation d'interventions. Nous nous intéressons dans un premier temps à la conception d'une architecture matérielle adaptée aux problématiques de la reconstruction 3D et de la navigation autonome. Le calibrage d'un système de vision est une étape indispensable dès lors que celui-ci est destiné à effectuer des mesures sur son environnement. Cette phase consiste à modéliser le système pour établir la relation mathématique liant les points 3D et leurs projections dans les images. Après une discussion sur le choix du modèle, nous présentons une méthodologie pour estimer les paramètres du modèle retenu. La structure stéréoscopique du capteur que nous avons développé rend possible la reconstruction tridimensionnelle de l'environnement sans déplacement. Nous proposons donc des algorithmes permettant la reconstruction dense de l'environnement, ainsi que des algorithmes de détection de primitives dans les images omnidirectionnelles. Lorsque le capteur est en mouvement, nous exploitons ses déplacements pour enrichir le modèle 3D. Notre principale contribution porte sur le développement d'un algorithme d'ajustement de faisceaux pour les capteurs stéréoscopiques omnidirectionnels qui permet d'obtenir une estimation des déplacements en ne nécessitant que des données visuelles
CETTE THESE PORTE SUR LA DETERMINATION AUTONOME DE STRATEGIES DE NAVIGATION POUR UN ROBOT MOBILE EVOLUANT DANS UN ENVIRONNEMENT EXTERIEUR INITIALEMENT INCONNU ET NON STRUCTURE. CES STRATEGIES CONCERNENT LE CHOIX DE BUTS INTERMEDIAIRES A RALLIER POUR ATTEINDRE UN BUT FINAL, D'UN MODE DE DEPLACEMENT A APPLIQUER, ET DE LA PROCHAINE TACHE DE PERCEPTION A EFFECTUER. LE MEMOIRE EST COMPOSE DE DEUX PARTIES: LA PREMIERE PRESENTE LES ALGORITHMES DEVELOPPES AFIN DE CONSTRUIRE UNE REPRESENTATION TOPOLOGIQUE DE L'ENVIRONNEMENT ADAPTEE A LA PRISE DES DIVERSES DECISIONS STRATEGIQUES, ET LA SECONDE CONCERNE LES PRISES DE DECISION PROPREMENT DITES. ETANT DONNEES LA COMPLEXITE ET LA DIVERSITE D'UN ENVIRONNEMENT EXTERIEUR NATUREL D'UNE PART, ET LES GRANDES INCERTITUDES QUE L'ON A SUR LES DONNEES FOURNIES PAR LES CAPTEURS D'AUTRE PART, NOUS AVONS FAVORISE POUR LA CONSTRUCTION DE LA REPRESENTATION TOPOLOGIQUE DE L'ENVIRONNEMENT UNE TECHNIQUE DE CLASSIFICATION PROBABILISTE. LES DONNEES TRIDIMENSIONNELLES (ISSUES D'UN TELEMETRE LASER OU D'UN SYSTEME DE STEREOVISION) SONT AINSI RAPIDEMENT ANALYSEES DE MANIERE A PRODUIRE UNE DESCRIPTION DE LA ZONE PERCUE EN TERMES DE REGIONS LIEES A LA NAVIGABILITE DU ROBOT. LES DONNEES ACQUISES DE DIFFERENTS POINTS DE VUE SONT FUSIONNEES EN UN MODELE GLOBAL, DANS LEQUEL FIGURENT LES INCERTITUDES RESULTANT DES CARACTERISTIQUES DU CAPTEUR, ET QUI EST STRUCTURE EN UN GRAPHE DE CONNEXITE DE REGIONS. C'EST SUR LA BASE DE CE MODELE GLOBAL, DES MODELES DES CAPACITES DE DEPLACEMENT ET DE PERCEPTION DU ROBOT, ET DE LA DEFINITION DE LA MISSION A REALISER (CRITERES PORTANT SUR LE TEMPS ET L'ENERGIE A MINIMISER), QUE SONT EFFECTUES LES CHOIX STRATEGIQUES. UNE ANALYSE DU PROBLEME MONTRE QUE SA DIFFICULTE PROVIENT ESSENTIELLEMENT DE SA COMPLEXITE ALGORITHMIQUE ET DU CARACTERE INCERTAIN DES MODELES DE L'ENVIRONNEMENT ET DES CAPTEURS. UNE APPROCHE REALISTE EST PRESENTEE: ELLE CONSISTE A DETERMINER LE CHEMIN AU SEIN DU GRAPHE MINIMISANT UN COUT, LEQUEL PREND EN COMPTE, OUTRE LES DIFFERENTS CRITERES A MINIMISER, LES INCERTITUDES LIEES AU MODELE DE L'ENVIRONNEMENT. DES RESULTATS OBTENUS LORS D'EXPERIMENTATIONS SUR UN ROBOT MOBILE REEL SONT PRESENTES ET ANALYSES TOUT AU LONG DU MEMOIRE.