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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes
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19019
23/01/2019

Conception et Développement de Composants Logiciels et Matériels pour un Dispositif Ophtalmique

J.COMBIER

RAP

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 23 Janvier 2019, 223p., Président: F.BERRY, Rapporteurs: A.IZAGUIRRE ALTUNA, , Examinateurs: A.BOUCHIER, O.MOREL, Directeurs de thèse: P.DANES, B.VANDEPORTAELE , N° 19019

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Résumé

Les recherches menées au cours de cette thèse de Doctorat s’inscrivent dans les activités du laboratoire commun OPERA (OPtique EmbaRquée Active) impliquant ESSILOR-LUXOTTICA et le CNRS. L’objectif est de contribuer au développement des “lunettes du futur” intégrant des fonctions d’obscurcissement, de focalisation ou d’affichage qui s’adaptent en permanence à la scène et au regard de l’utilisateur. Ces nouveaux dispositifs devront être dotés de capacités de perception, de décision et d’action, et devront respecter des contraintes d’encombrement, de poids, de consommation énergétique et de temps de traitement. Ils présentent par conséquent des connexions évidentes avec la robotique. Dans ce contexte, les recherches ont consisté à investiguer la structure et la construction de tels systèmes afin d’identifier leurs enjeux et difficultés. Pour ce faire, la première tâche a été de mettre en place des émulateurs de divers types de lunettes actives, qui permettent de prototyper et d’évaluer efficacement diverses fonctions. Dans cette phase de prototypage et de test, ces émulateurs s’appuient naturellement sur une architecture logicielle modulaire typique de la robotique. La seconde partie de la thèse s’est focalisée sur le prototypage d’un composant clé des lunettes du futur, qui implique une contrainte supplémentaire de basse consommation : le système de suivi du regard, aussi appelé oculomètre. Le principe d’un assemblage de photodiodes et d’un traitement par réseau de neurones a été proposé. Un simulateur a été mis au point, ainsi qu’une étude de l’influence de l’agencement des photodiodes et de l’hyper-paramétrisation du réseau sur les performances de l’oculomètre.

146315
18594
17/12/2018

Vérification Formelle des Modules Fonctionnels de Systèmes Robotiques et Autonomes

M.FOUGHALI

RIS

Doctorat : INSA de Toulouse, 17 Décembre 2018, 195p., Président: J.MALENFANT, Rapporteurs: C.PECHEUR, H.BRUYNINCKX, Examinateurs: J.CARDOSO, S.DAL ZILIO, J.COMBAZ, Directeurs de thèse: M.GHALLAB, F.F.INGRAND , N° 18594

Lien : https://hal.laas.fr/tel-02080063

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Résumé

Les systèmes robotiques et autonomes ne cessent d’évoluer et deviennent de plus en plus impliqués dans les missions à coût considérable (e.g. exploration de l’espace) et/ou dans les milieux humains (e.g. chirurgie, assistance handicap). Cette implication remet en question les pratiques adoptées par les développeurs et ingénieurs pour donner un certain degré de confiance à ces systèmes. En effet, les simulations et campagnes de tests ne sont plus adaptées à la problématique de sûreté et fiabilité des systèmes robotiques et autonomes compte tenu (i) du caractère sérieux des défaillances éventuelles dans les contextes susmentionnés (un dommage à un robot très coûteux ou plus dramatiquement une atteinte aux vies humaines) et (ii) de la nature non exhaustive de ces techniques (les tests et simulations peuvent toujours passer à côté d’un scénario d’exécution catastrophique. Les méthodes formelles, bien qu’elles offrent une solution mathématique élégante aux problèmes de sûreté de fonctionnement et de fiabilité, peinent à s’imposer, de leur côté, dans le domaine de la robotique autonome. Cette limitation devient encore plus visible au niveau fonctionnel des robots, i.e. les composants logiciels interagissant directement avec les capteurs et les actionneurs. Elle est due à plusieurs facteurs. D’abord, les composants fonctionnels reflètent un degré de complexité conséquent, ce qui mène souvent à une explosion combinatoire de l’espace d’états atteignables (comme l’exploration se veut exhaustive). Ce problème force les spécialistes soit à se limiter à des applications très simples, soit à recourir à des abstractions qui s’avèrent fréquemment exagérées, ce qui nuit à la véracité des résultats de la vérification (e.g. l’oubli des contraintes temporelles, la non inclusion des spécificités du hardware). En outre, les composants fonctionnels sont décrits à travers des languages et frameworks informels (ROS, GenoM, etc.). Leurs spécifications doivent alors être traduites en des modèles formels avant de pouvoir y appliquer les méthodes formelles associées. Cette opération, nommée formalisation, est souvent pénible, lente, et exposée à des erreurs vu la complexité des comportements que représentent les composants fonctionnels des robots. La formalisation fait face également à un autre problème également pesant, à savoir le manque de portabilité. Cela se résume au fait que chaque traduction doit être refaite dès qu’un composant change ou évolue, sans parler des nouvelles applications faites de nouveaux composants, ce qui implique un investissement dans le temps aux limites de la rentabilité. A noter que cette thèse ne s’intéresse pas aux composants du haut niveau dits “décisionnels” des systèmes robotiques et autonomes. En effet, ces composants sont souvent basés sur des modèles bien définis, même formels, ce qui facilite leur connexion aux méthodes formelles. Le lecteur intéressé peut trouver dans lalittéature de nombreuses contributions y étant pertinentes. Aux limitations décrites précédemment, s’ajoute le problème de l’indécidabilité visà- vis les formalismes et les techniques de vérification. Par example, les travaux comparant les Réseaux de Petri Temporels “à la , Merlin” et les Automates Temporisés, deux formalismes phares de modélisation des systèmes concurrents, demeurent trop formels pour les communautés autres que celle des méthodes formelles. Il existe néanmoins des travaux qui présentent des techniques qui permettent de bénéficier des deux formalismes, bien qu’elles ne soient (i) appliquées qu’à des exemples académiques classiques, loin de la complexité des composants fonctionnels robotiques et autonomes et (ii) restreintes aux classes des réseaux non-interprétés (pas de possibilité d’avoir des données/variables partagées). Nous proposons, dans ce travail de recherche, de connecter GenoM3, un framework de développement et déploiement de composants fonctionnels robotiques, à des langages formels et leurs outils de vérification respectifs. Cette connexion se veut automatique pour pallier aux problème de non portabilité, décrit au paragraphe précédent. GenoM3 offre un mécanisme de synthèse automatique pour assurer l’indépendance des composants du middleware. Nous exploitons ce mécanisme pour développer des templates en mesure de traduire n’importe quelle spécification de GenoM3 en langages formels. Ceci passe par une formalisation de GenoM3: une sémantique formelle opérationnelle est donnée au langage. Une traduction à partir de cette sémantique est réalisée vers des langages formels et prouvée correcte par bisimulation. Nous comparons de différents langages cibles, formalismes et techniques et tirerons les conclusions de cette comparaison. La modélisation se veut aussi, et surtout, efficace. Un modèle correct n’est pas forcément utile. En effet, le passage à l’échelle est particulièrement important. Cette thèse porte donc sur l'applicabilité des méthodes formelles aux composants fonctionnels des systèmes robotiques et autonomes. Le but est d'aller vers des robots autonomes plus sûrs avec un comportement plus connu et prévisible. Cela passe par la mise en place d'un mécanisme de génération automatique de modèles formels à partir de modules fonctionnels de systèmes robotiques et autonomes. Ces modèles sont exploités pour vérifier des propriétés qualitatives ou temps-réel, souvent critiques pour les systèmes robotiques et autonomes considérés. Parmi ces propriétés, on peut citer, à titre d'exemple, l'ordonnançabilité des tâches périodiques, la réactivité des tâches sporadiques, l'absence d’interblocages, la vivacité conditionnée (un évènement toujours finit par suivre un autre), la vivacité conditionnée bornée (un évènement toujours suit un autre dans un intervalle de temps borné), l'accessibilité (des états “indésirables” ne sont jamais atteints), etc. Parmi les défis majeurs freinant l'atteinte de tels objectifs, on cite notamment: - Contrairement aux spécifications décisionnelles, les modules fonctionnels sont décrits dans de langages informels. La formalisation est dure, inévidente, et sujette à des erreurs compte tenu des comportements atypiques qui peuvent se présenter à ce niveau. Cette formalisation est aussi non réutilisable (besoin de re-formaliser pour chaque nouvelle application). Il existe une multitude de techniques de vérification et de formalismes mathématiques pour la modélisation. Le choix n'est pas évident, chaque formalisme et chaque technique présentant des avantages et des inconvénients. La complexité des modules fonctionnels (nombre de composants, mécanismes de communication et d'exécution, contraintes temporelles, etc.) mène à des problèmes sérieux de passage à l'échelle (explosion de l'espace d'états atteignables). - Il existe une déconnexion importante entre les deux communautés (de robotique et de vérification formelle). D'une part, les roboticiens n'ont ni la connaissance ni les moyens (en terme de temps surtout mais aussi de background) de s'investir dans les méthodes formelles, qui sortent de leur domaine. D'autre part, les spécialistes des méthodes formelles restent loin de s'attaquer à des problématiques si complexes faute de connaissances en robotique. Cette thèse tacle la totalité de ces problèmes en proposant une approche de traduction prouvée mathématiquement et automatisée de GenoM vers: - Fiacre/TINA (model checking) - UPPAAL (model checking) - UPPAAL-SMC (statistical model checking) - BIP/RTD-Finder (SAT solving) - BIP/Engine (enforcement de propriétés en ligne) La thèse propose également une analyse du feedback expérimental afin de guider les ingénieurs à exploiter ces méthodes et techniques de vérification efficacement sur les modèles automatiquement générés.

Abstract

The goal of this thesis is to add to the efforts toward the long-sought objective of secure and safe robots with predictable and a priori known behavior. For the reasons given above, formal methods are used to model and verify crucial properties, with a focus on the functional level of robotic systems. The approach relies on automatic generation of formal models targeting several frameworks. For this, we give operational semantics to a robotic framework, then several mathematically proven translations are derived from such semantics. These translations are then automatized so any robotic functional layer specification can be translated automatically and promptly to various frameworks/languages. Thus, we provide a mathematically correct mapping from functional components to verifiable models. The obtained models are used to formulate and verify crucial properties on real-world complex robotic and autonomous systems. This thesis provides also a valuable feedback on the applicability of formal frameworks on real-world, complex systems and experiencebased guidelines on the efficient use of formal-model automatic generators. In this context, efficiency relates to, for instance, how to use the different model checking tools optimally depending on the properties to verify, what to do when the models do not scale with model checking (e.g. the advantages and drawbacks of statistical model checking and runtime verification and when to use the former or the latter depending on the type of properties and the order of magnitude of timing constraints).

Mots-Clés / Keywords
Robotics; Computer science; Software engineering; Formal methods; Verification; Real-time; Robotique; Informatique; Méthode formelle; Vérification; Temps réel;

146855
18599
10/12/2018

Techniques d'optimisation pour la détection et ré-identification de personnes dans un réseau de caméras

FBARBOSA ANDA

RAP, ROC

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 10 Décembre 2018, 162p., Président: L.TAMINE-LECHANI, Rapporteurs: V.T'KINDT, J.M.M.C.PEREIRA BATISTA, Examinateurs: M.BABEL, Directeurs de thèse: C.BRIAND, F.LERASLE , N° 18599

Lien : https://hal.laas.fr/tel-02079969

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Résumé

Cette thèse traite de la détection et de la ré-identification de personnes dans un environnement instrumenté par un réseau de caméras à champ disjoint. Elle est à la confluence des communautés Recherche Opérationnelle et Vision car elle s’appuie sur des techniques d’optimisation combinatoire pour formaliser de nouvelles modalités de vision par ordinateur. Dans ce contexte, un détecteur visuel de personnes, basé sur la programmation linéaire en nombres entiers, est tout d’abord proposé. Son originalité est de prendre en compte le coût de traitement et non uniquement les performances de détection. Ce détecteur est évalué et comparé aux détecteurs de la littérature les plus performants. Ces expérimentations menées sur deux bases de données publiques mettent clairement en évidence l’intérêt de notre détecteur en terme de coût de traitement avec garantie de performance de détection. La seconde partie de la thèse porte sur la modalité de ré-identification de personnes. L’originalité de notre approche, dénommée D-NCR (pour Directed Network Consistent Re-identification), est de prendre explicitement en compte les temps minimum de transit des personnes dans le réseau de caméras et sa topologie pour améliorer la performance de la ré-identification. On montre que ce problème s’apparente à une recherche de chemins disjoints particuliers à profit maximum dans un graphe orienté. Un programme linéaire en nombres entiers est proposé pour sa modélisation et résolution. Les évaluations réalisées sur une base publique d’images sont prometteuses et montrent le potentiel de cette approche.

Mots-Clés / Keywords
Optimisation combinatoire; Détection de personnes; Réidentification de personnes;

146893
18420
04/12/2018

Modélisation 3D et suivi visuel pour caractériser le phénotype de variétés de tournesol

W.GELARD

RAP

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 4 Décembre 2018, 153p., Président: F.BARET, Rapporteurs: D.ROUSSEAU, G.RABATEL, Examinateurs: M.DEVY, Directeurs de thèse: A.HERBULOT, P.DEBAEKE , N° 18420

Lien : https://hal.laas.fr/tel-02167190

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Abstract

The constant increasing food and energy demand in the world associated to global warming and climate change issues, pushed the researchs in plant breeding to move towards the improvement of crops performance and development of a more sustainable agriculture. To meet these demands, the effort made by the researchers were focused on the development of high-throughput genotyping methods (i.e., the study of genome sequence of plants) and allowed the biologists to indentified the genotypes of a large amount of plants. Moreover, understanding the relationships that link the genotypes (DNA) to the phenotypes (visual characteristics) that evolve according environmental conditions like : light, water, drought, heat, etc. has become a main issue in agricultural research. While the genotyping methods were rapidly improved and automatized during the last decade, the phenotyping methods remain manual, sometimes destructive and non-replicable. The usual phenotyping methods consist to measure certain visual parameters of a plant such as : main stem heigh, number of leaves, leaf initiation angle or leaf area, but more importantly, be able to follow these parameters along the plant growth. Consequently, the number of plants to harvest is very important and the measurements are extremely time-consuming. The emergence and reliability of new technologies in computer vision and robotic have led the researchers to take an interest in them and to seek how they can be used in plant science. The thesis is focused on the design, development and validation of a high-throughput phenotyping method design for sunflower plant with an eye to amplify phenotyping capacities by Agronomists and Geneticists (and later varieties evaluators and seed producers). The aim is to improve, modernize and automatize the current phenotyping methods as a way to help the plant scientists to collect a large amount of data. Motivated by the wish to perform high-throughput plant phenotyping, we propose a 3D approach to automatically extract visual characteristics of sunflower plants grown in pot. First, a 3D point cloud of a plant is acquired with classical SfM techniques. A segmentation step is then proceeded to retrieve the main stem and the leaves. With the intention of following the visual characteristics during the plant growth, especially, the leaf area expansion rate of each leaf, a labelling step relying on the botanical model of a plant is performed to affect them a unique label that will not change over time. Finally, the visual characteristics are extracted and results obtained on sunflower plants demonstrate the efficiency of our method and make it an encouraging step toward high-throughput plant phenotyping.

Résumé

L’augmentation constante de la demande alimentaire et énergétique dans le monde associée au réchauffement et changements climatiques ont poussé les recherches en agronomie vers le développement d’une agriculture plus durable et l’amélioration de la performance des cultures. Pour répondre à ces demandes, les chercheurs ont concentré leurs efforts sur le développement de méthodes de génotypage à haut débit (l’étude de la séquence génomique des plantes) et ont permis aux biologistes d’identifier les génotypes d’une grande quantité de plantes. De plus, comprendre les relations qui lient les génotypes (ADN) aux phénotypes (caractéristiques visuelles) qui évoluent en fonction des conditions d’irrigation, d’illumination ou de température est devenu un enjeu majeur dans la recherche agricole. Alors que les méthodes de génotypage ont été rapidement améliorées et automatisées au cours de la dernière décennie, les méthodes de phénotypage restent manuelles et parfois destructrices. Ces méthodes consistent à mesurer certains paramètres visuels d’une plante telle que : la hauteur de la tige principale, le nombre de feuilles, les angles d’initiation des feuilles ou la surface foliaire et plus important encore, à suivre ces paramètres tout au long de la croissance des plantes. Par conséquent, le nombre de plantes à cultiver est très important et les mesures prennent beaucoup de temps. Avec l’émergence des nouvelles technologies en vision par ordinateur et en robotique, les chercheurs en agronomie y ont vu un intérêt certain en vue d’automatiser la collecte et les mesures des données visuelles sur les plantes. La thèse porte sur la conception, le développement et la validation de traitements haut débit à exécuter automatiquement sur des images acquises sur des plantes de tournesol, en vue d’amplifier les capacités de phénotypage par les chercheurs en agronomie (et ultérieurement les évaluateurs de variétés et les semenciers). L’objectif est la mise au point d’un protocole d’acquisition d’images (en plante isolée) depuis un robot mobile (ou un système d’acquisition autonome) permettant d’améliorer, de moderniser et d’automatiser les méthodes de phénotypage actuelles afin d’aider les chercheurs en agronomie à collecter une grande quantité de données. Motivés par le souhait d’effectuer un phénotypage à haut débit, nous proposons une approche 3D pour extraire automatiquement les caractéristiques visuelles des plantes de tournesol cultivées en pot. Tout d’abord, un nuage de points 3D d’une plante est acquis avec des techniques classiques de SfM. Une étape de segmentation est ensuite effectuée pour extraire la tige principale et les feuilles. Dans le but de suivre les caractéristiques visuelles pendant la croissance des plantes, en particulier, suivre l’expansion foliaire de chaque feuille, une étape de labellisation basée sur le modèle botanique d’une plante est appliquée pour leur affecter une étiquette unique qui ne changera pas avec le temps. Enfin, les caractéristiques visuelles sont extraites et les résultats obtenus sur les plantes de tournesol démontrent l’efficacité de notre méthode et en font une étape encourageante vers le phénotypage haut débit.

Mots-Clés / Keywords
Phénotypage 3D; Tournesols; Reconstruction et Segmentation 3D; 3D Phenotyping; Sunflower plant; 3D Reconstruction and Segmentation;

145595
18650
21/11/2018

Modélisation et contrôle d'actionnaurs pour la robotique humanoïde

F.FORGET

GEPETTO

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 21 Novembre 2018, 147p., Président: P.DANES, Rapporteurs: C.CHEVALLEREAU, S.ALFAYAD, Examinateurs: S.CARON, Directeurs de thèse: N.MANSARD, O.STASSE , N° 18650

Lien : https://hal.laas.fr/tel-02128260

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Abstract

Humanoid robotics actuation and control is complex as this field has specific needs. This involves the design of advanced mechatronic constructions. In this thesis, we focused on the humanoid robots actuation and paid particular attention to systems with good compliance capabilities. Compliance refers to the ability of the system to adapt to its environment by adopting a flexible behaviour. This feature is particularly sought after for human-robot interactions and to make contacts between the robot and its environment smoother. We studied two systems in detail : the first is a system based on Mckibben’s artificial pneumatic muscles and the second is an electric cable driven actuator with flexibility. We have developed and implemented a control architecture for the control of both systems. The interest of this architecture lies in its generic nature and in its use within a model predictive control scheme. We then studied the thermal behaviour of an actuator in order to exploit the full potential of this system while ensuring its integrity. Finally, we have carried out developments to improve the joint torque control of the humanoid robot Talos.

Résumé

La robotique humanoïde pose des problèmes d’actionnement et de contrôle complexes tant ce domaine a des besoins spécifiques. Cela implique la conception de constructions mécatroniques avancées. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressé aux actionneurs de ces robots et avons porté une attention particulière aux systèmes présentant de bonnes capacités de compliance. Par compliance, on entend la faculté du système à s’adapter à son environnement en adoptant un comportement souple. Cette caractéristique est particulièrement recherchée pour les interactions homme-robot et pour rendre les contacts entre le robot et son environnement plus doux. Nous avons étudié deux systèmes en détails : le premier est un système à base de muscles artificiels pneumatiques de Mckibben et le second, un actionneur électrique à câble comportant une flexibilité. Nous avons développé et mis en oeuvre une architecture de contrôle pour la commande des deux systèmes. L’intérêt de cette architecture réside dans son caractère générique et dans son exploitation au sein d’un schéma de commande prédictive (Model predictive control). Nous avons ensuite étudié le comportement thermique d’un actionneur en vue d’exploiter le plein potentiel de ce système tout en garantissant son intégrité. Finalement, nous avons mené des développements afin d’améliorer le contrôle en couple articulaire du robot humanoïde Talos.

Mots-Clés / Keywords
Robotique humanoide; Actionnement; Mécatronique; humanoid robotics; Actuation; Mecatronics;

147413
18607
23/10/2018

Towards New Sensing Capabilities For Legged Locomotion Using Real-Time State Estimation With Low-Cost IMUs

D.ATCHUTHAN

GEPETTO

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 23 Octobre 2018, 175p., Président: D.FILLIAT, Rapporteurs: P.RIVES, S.BONNABEL, Examinateurs: M.KOK, P.WENSING, C.ROUSSILLON, Directeurs de thèse: N.MANSARD, J.SOLA , N° 18607

Lien : https://hal.laas.fr/tel-02088756

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Abstract

Estimation in robotics is an important subject affected by trade-offs between some major critera from which we can cite the computation time and the accuracy. The importance of these two criteria are application-dependent. If the computation time is not important for off-line methods, it becomes critical when the application has to run on real-time. Similarly, accuracy requirements are dependant on the applications. EKF estimators are widely used to satisfy real-time constraints while achieving acceptable accuracies. One sensor widely used in trajectory estimation problems remains the inertial measurement units (IMUs) providing data at a high rate. The main contribution of this thesis is a clear presentation of the preintegration theory yielding in a better use IMUs. We apply this method for estimation problems in both pedestrian and humanoid robots navigation to show that real-time estimation using a lowcost IMU is possible with smoothing methods while formulating the problems with a factor graph. We also investigate the calibration of the IMUs as it is a critical part of those sensors. All the development made during this thesis was thought with a visual-inertial SLAM background as a mid-term perspective. Firthermore, this work tries to rise another question when it comes to legged robots. In opposition to their usual architecture, could we use multiple lowcost IMUs on the robot to get valuable information about the motion being executed?

Mots-Clés / Keywords
Factor Graph; Low-cost IMU; Sensor calibration; Real-time state estimation; SLAM; Pedestrian navigation; IMU preintegration on manifolds; Robot;

146982
18658
19/10/2018

De la réalité augmentée sans marqueur pour l’aménagement d’intérieur à la réalité diminuée sur plateforme mobile

P.A.GOHARD

RAP

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 19 Octobre 2018, 187p., Président: E.L.MOUADDIB, Rapporteurs: M.O.BERGER, D.FOFI, Examinateurs: G.MORIN, Directeurs de thèse: M.DEVY, B.VANDEPOTAELE , N° 18658

Lien : https://hal.laas.fr/tel-02161206

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Résumé

La réalité augmentée en vision désigne les systèmes rendant possibles l’incrustation d’objets virtuels dans une séquence d’images en temps réel. Les applications de cette technologie sont multiples et touchent de plus en plus de domaines, mais la diffusion massive des téléphones mobiles équipés d’une caméra ont permis le déploiement de premiers services grand public exploitant la réalité augmentée. Le contexte de cette thèse concerne l’utilisation de cette technique sur plateforme mobile pour assister un usager à décorer un environnement d’intérieur, notamment en rajoutant des meubles virtuels dans les images. La réalité augmentée suppose la localisation de la caméra ainsi qu’une reconstruction partielle de la scène observée afin de pouvoir disposer le meuble de manière physiquement cohérente avec l’environnement. Dans une première contribution, nous étudions comment exploiter les caméras équipant les téléphones mobiles, généralement à obturateur déroulant. Ces caméras exposent les lignes d’une image à des temps différents, au contraire des caméras à obturateur global qui exposent l’ensemble de l’image à un instant donné. Ainsi, dans le cas d’un mouvement relatif entre la caméra et la scène, chaque ligne est exposée d’un point de vue différent, ce qui produit des distorsions dans les images. D’abord, nous étudions l’impact de l’utilisation de caméras à obturateur déroulant sur les algorithmes associés à la réalité augmentée, en particulier sur l’Odométrie Visuelle (VO), ou la Cartographie et Localisation Simultanées (SLAM). Nous exploitons un dispositif constitué d’une centrale inertielle bas coût (gyros et accéléros), d’une caméra à obturateur déroulant et d’une caméra à obturateur global montées de manière rigide pour avoir des points de vues très proche. Les algorithmes VO ou SLAM sont appliqués sur des séquences d’images synchronisées, acquises sous un système de capture de mouvements afin de disposer d’une vérité terrain. Ces travaux illustrent la nécessité d’une modélisation plus fidèle du capteur à obturateur déroulant, notamment lors de mouvements rapides de la caméra en rotation. Ensuite, nous proposons un nouveau modèle en temps continu de la trajectoire effectuée par la caméra afin de pouvoir obtenir une estimée des paramètres extrinsèques pour chaque ligne d’une image. Ce modèle suppose une interpolation à partir d’un ensemble de points de contrôle, les points de contrôle pouvant être disposés de manière non uniforme dans le temps. Cette distribution temporelle non-uniforme des points de contrôle permet de les placer quand et où cela est nécessaire. Nous présentons deux méthodes permettant d’estimer les instants où la génération d’un point de contrôle apporte le plus d’information. Les points de contrôle sont ensuite raffinés par optimisation afin d’obtenir une trajectoire correspondant aux observations. Nous étendons les paramètres de l’optimisation en incluant l’horodatage des points de contrôle et montrons l’amélioration obtenue sur l’estimation de trajectoires réelles. Dans une deuxième contribution, nous avons étudié comment modéliser une scène. Le contexte d’intérieur suppose de grands plans de la scène généralement très peu texturés, pour lesquels les méthodes de reconstruction communes par appariement de points échouent. Afin de répondre à cette contrainte, nous proposons l’utilisation de primitives de plus haut niveau ainsi que différentes paramétrisations des amers de la carte. Nous fournissons des modèles de pièce ayant différentes propriétés. Une modélisation plus ou moins fidèle de différents types d’intérieur, est donnée par des paramètres qui sont estimés via un processus d’optimisation. Nous présentons finalement différentes applications sur le rajout de meubles virtuels pour l’aménagement en milieu d’intérieur. Dans un premier temps, la pose caméra est obtenue à partir d’une seule image et de différentes hypothèses et informations en entrée. L’adaptation d’un algorithme de SLAM existant sur tablette Android est également partiellement abordé. Un module complet d’un processus de réalité altérée est finalement présenté, où l’environnement est en partie effacé afin de pouvoir rajouter un élément virtuel.

Mots-Clés / Keywords
Réalité augmentée; Réalité diminuée; Localisation et Cartographie simultanées; Modélisation de caméra; Caméra à obturateur déroulant; Perspective N View; Ajustement de faisceaux; Interpolation; B-Spline non uniforme; Reconstruction; Monde Manhattan;

147553
18395
15/10/2018

Modèles réduits fiables et efficaces pour la planification et l’optimisation de mouvement des robots à pattes en environnements contraints

P.FERNBACH

GEPETTO

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 15 Octobre 2018, 245p., Président: M.P.CANI, Rapporteurs: L.RIGHETTI, A.KHEDDAR, Examinateurs: J.PETTRE, Directeurs de thèse: M.TAIX, S.TONNEAU , N° 18395

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01947204

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Abstract

The automatic synthesis of movements for legged robots is one of the long standing challenge of robotics, and its resolution is a prior to the safe deployment of robots outside of their labs. In this thesis, we tackle it with a divide and conquer approach, where several smaller sub-problems are identified and solved sequentially to generate motions in a computationally efficient manner. This decoupling comes with a feasibility issue : how can we guarantee that the solution of a sub-problem is a valid input for the next sub-problem ? To address this issue, this thesis defines computationally efficient feasibility criteria, focused on the constraints on the Center Of Mass of the robot. Simultaneously, it proposes a new formulation of the problem of computing a feasible trajectory for the Center Of Mass of the robot, given a contact sequence. This formulation is continuous, as opposed to traditional approaches that rely on a discretized formulation, which can result in constraint violations and are less computationally efficient. This general formulation could be straightforwardly used with any existing approach of the state of the art. The framework obtained was experimentally validated both in simulation and on the HRP-2 robot, and presented a higher success rate, as well as computing performances order of magnitudes faster than the state of the art.

Résumé

La synthèse automatique du mouvement de robots à pattes est un enjeu majeur de la robotique : sa résolution permettrait le déploiement des robots hors de leurs laboratoire. Pour y parvenir, cette thèse suit l’approche "diviser pour régner", où le problème est décomposé en plusieurs sous-problèmes résolus séquentiellement. Cette décomposition amène alors la question nouvelle de la faisabilité : comment garantir que la solution d’un sous-problème, permet la résolutiondes suivants (dont elle sert d’entrée) ? Pour y répondre, cette thèse définit des critères de faisabilités efficaces, qui s’appuient sur la définition des contraintes qui s’appliquent au centre de masse du robot. En parallèle, et de manière plus générale, elle propose une nouvelle formulation du problème du calcul d’une trajectoire valide pour le centre de masse du robot. Cette formulation, continue, présente le double avantage (par rapport aux méthodes discrètes classiques) de garantir la validité de la solution en tous points, tout en améliorant, grâce à une réduction de la dimensionnalité du problème, les performances des algorithmes de l’état de l’art. L’architecture de planification de mouvement résultante a été validée en simulation, ain que sur le robot HRP-2, démontrant ainsi sa supériorité en termes de temps de calcul et de taux de succès par rapport à l’existant.

Mots-Clés / Keywords
Planification de mouvement; Robots à pattes; Multi-contact; Planification kinodynamique; Optimisation; Motion and kinodynamic planning; Legged robots; Optimization;

145394
18421
12/10/2018

Exploitation du retour en force pour l’estimation et le contrôle des robots marcheurs

T.FLAYOLS

GEPETTO

Doctorat : INSA de Toulouse, 12 Octobre 2018, 139p., Président: N.MANSARD, Rapporteurs: L.RIGHETTI, E.YOSHIDA, Examinateurs: V.PADOIS, P.B.WIEBER, Directeurs de thèse: O.STASSE, A.DEL PRETE, Membre invité: S.BORIA , N° 18421

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01975078

Diffusable

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Résumé

Dans cette thèse, on s’intéresse à la commande des robots marcheurs. Contrôler ces systèmes naturellement instables, de dynamique non linéaire, non convexe, de grande dimension, et dépendante des contacts représente un défi majeur en robotique mobile. Les approches classiques formulent une chaîne de contrôle formée d’une cascade de sous problèmes tels que la perception, le planning, la commande du corps complet et l’asservissement articulaire. Les contributions rapportées ici ont toutes pour but d’introduire une rétroaction au niveau de la commande du corps complet ou du planning. Précisément, une première contribution technique est la formulation et la comparaison expérimentale de deux estimateurs de la base du robot. Une seconde contribution est l’implémentation d’un contrôleur par dynamique inverse pour contrôler en couple le robot HRP-2. Une variante de ce contrôleur est aussi formulée et testée en simulation pour stabiliser un robot en contact flexible avec son environnement. Finalement un générateur de marche par commande prédictive et couplé à un contrôleur corps complet est présenté.

Mots-Clés / Keywords
Estimation; Contrôle corps complet; Commande en couple; Commande prédictive; Commande optimale; Générateur de marche; Contact flexible;

145633
18352
10/10/2018

Descriptive and Explanatory Tools for Human Movement and State Estimation in Humanoid Robotics

F.BAILLY

GEPETTO

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 10 Octobre 2018, 168p., Président: J.P.LAUMOND, Rapporteurs: A.IJSPEERT, L.CHEZE, Examinateurs: E.GUIGON, Directeurs de thèse: P.SOUERES, B.WATIER , N° 18352

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01927768

Diffusable

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Abstract

Le sujet principal de cette thèse est le mouvement des systèmes anthropomorphes, et plus particulièrement la locomotion bipède des humains et des robots humanoïdes. Pour caractériser et comprendre la locomotion bipède, il est instructif d’en étudier les causes motrices et les conséquences physiques qui en résultent, que sont les interactions avec l’environnement. Concernant les causes, par exemple, quels sont les principes qui régissent l'organisation des ordres moteurs pour élaborer une stratégie de déplacement spécifique ? Puis, quelles grandeurs physiques pouvons-nous calculer pour décrire au mieux le mouvement résultant de ces commandes motrices ? Ces questions sont en partie abordées par la proposition d’une extension mathématique de l'approche du Uncontrolled Manifold au contrôle moteur de tâches dynamiques puis par la présentation d'un nouveau descripteur de la locomotion anthropomorphe. En lien avec ce travail analytique vient le problème de l'estimation de l'état pour les systèmes anthropomorphes. La difficulté d'un tel problème vient du fait que les mesures apportent un bruit qui n'est pas toujours séparable des données informatives, et que l'état du système n'est pas nécessairement observable. Pour se débarrasser du bruit, des techniques de filtrage classique peuvent être employées, mais elles sont susceptibles d’altérer le contenu des signaux d’intérêt. Pour faire face à ce problème, nous présentons une méthode récursive, basée sur le filtrage complémentaire, pour estimer la position du centre de masse et la variation du moment angulaire d’un système en contact, deux quantités centrales de la locomotion bipède. Une autre idée pour se débarrasser du bruit de mesure est de réaliser qu'il résulte en une estimation irréaliste de la dynamique du système. En exploitant les équations du mouvement, qui dictent la dynami! que temporelle du système, et en estimant une trajectoire plutôt qu’un point unique, nous présentons ensuite une estimation du maximum de vraisemblance en utilisant l'algorithme de programmation différentielle dynamique pour effectuer une estimation optimale de l'état centroidal des systèmes en contact. Finalement, une réflexion pluridisciplinaire est présentée, sur le rôle fonctionnel et computationnel joué par la tête chez les animaux. La pertinence de son utilisation en robotique mobile y est discutée, pour l’estimation d’état et la perception multisensorielle. Le sujet principal de cette thèse est le mouvement des systèmes anthropomorphes, et plus particulièrement la locomotion bipède des humains et des robots humanoïdes. Pour caractériser et comprendre la locomotion bipède, il est instructif d’en étudier les causes motrices et les conséquences physiques qui en résultent, que sont les interactions avec l’environnement. Concernant les causes, par exemple, quels sont les principes qui régissent l'organisation des ordres moteurs pour élaborer une stratégie de déplacement spécifique ? Puis, quelles grandeurs physiques pouvons-nous calculer pour décrire au mieux le mouvement résultant de ces commandes motrices ? Ces questions sont en partie abordées par la proposition d’une extension mathématique de l'approche du Uncontrolled Manifold au contrôle moteur de tâches dynamiques puis par la présentation d'un nouveau descripteur de la locomotion anthropomorphe. En lien avec ce travail analytique vient le problème de l'estimation de l'état pour les systèmes anthropomorphes. La difficulté d'un tel problème vient du fait que les mesures apportent un bruit qui n'est pas toujours séparable des données informatives, et que l'état du système n'est pas nécessairement observable. Pour se débarrasser du bruit, des techniques de filtrage classique peuvent être employées, mais elles sont susceptibles d’altérer le contenu des signaux d’intérêt. Pour faire face à ce problème, nous présentons une méthode récursive, basée sur le filtrage complémentaire, pour estimer la position du centre de masse et la variation du moment angulaire d’un système en contact, deux quantités centrales de la locomotion bipède. Une autre idée pour se débarrasser du bruit de mesure est de réaliser qu'il résulte en une estimation irréaliste de la dynamique du système. En exploitant les équations du mouvement, qui dictent la dynami! que temporelle du système, et en estimant une trajectoire plutôt qu’un point unique, nous présentons ensuite une estimation du maximum de vraisemblance en utilisant l'algorithme de programmation différentielle dynamique pour effectuer une estimation optimale de l'état centroidal des systèmes en contact. Finalement, une réflexion pluridisciplinaire est présentée, sur le rôle fonctionnel et computationnel joué par la tête chez les animaux. La pertinence de son utilisation en robotique mobile y est discutée, pour l’estimation d’état et la perception multisensorielle.

Abstract

The substantive subject of this thesis is the motion of anthropomorphic systems, and more particularly the bipedal locomotion of humans and humanoid robots. To characterize and understand bipedal locomotion, it is instructive to study its motor causes and its resulting physical consequences, namely, the interactions with the environment. Concerning the causes, for instance, what are the principles that govern the organization of motor orders in humans for elaborating a specific displacement strategy? And then, which physical quantities can we compute for best describing the motion resulting from these motor orders ? These questions are in part addressed by the proposal of a mathematical extension of the Uncontrolled Manifold approach for the motor control of dynamic tasks and through the presentation of a new descriptor of anthropomorphic locomotion. In connection with this analytical work, comes the problem of state estimation in anthropomorphic systems. The difficulty of such a problem comes from the fact that the measurements carry noise which is not always separable from the informative data, and that the state of the system is not necessarily observable. To get rid of the noise, classical filtering techniques can be employed but they are likely to distort the signals. To cope with this issue, we present a recursive method, based on complementary filtering, to estimate the position of the center of mass and the angular momentum variation of the human body, two central quantities of human locomotion. Another idea to get rid of the measurements noise is to acknowledge the fact that it results in an unrealistic estimation of the motion dynamics. By exploiting the equations of motion, which dictate the temporal dynamics of the system, and by estimating a trajectory versus a single point, we then present maximum likeli! hood estimation using the dynamic differential programming algorithm to perform optimal centroidal state estimation for systems in contact. Finally, a multidisciplinary reflection on the functional and computational role played by the head in animals is presented. The relevance of using this solution in mobile robotics is discussed, particularly for state estimation and multisensory perception.

Mots-Clés / Keywords
humanoid robotics; Biomechanics; Locomotion; State estimation; Motor control; Robotique humanoide; Biomécanique; Contrôle moteur;

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