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Résumé

Nous nous intéressons à l'architecture de robots marins et sous-marins autonomes dans le cadre de missions nécessitant leur coopération. Cette coopération s'avère difficile du fait que la communication (acoustique) est de faible qualité et de faible portée. Afin d'illustrer notre travail, nous nous intéressons à un scénario de localisation d'une source d'eau chaude sous-marine. Pour cela, le véhicule sous marin parcourt des segments de droite et rejoint des points de rendez-vous (points de communication). Ces derniers sont importants car ils permettent la mise en oeuvre d'une coopération entre les véhicules sous-marins. Au fur et à mesure du déplacement d'un véhicule, celui ci détecte (grâce à ses capteurs) sa distance à une zone pouvant contenir une source d'eau chaude. Afin de localiser une source, on doit permettre au véhicule de modifier sa trajectoire initiale, tout en s'assurant d'atteindre le point de rendez-vous. D'autre part, les rendez-vous permettent à chaque véhicule d'échanger ses données pour une coopération. Vu que le débit de communication acoustique est réduit, chaque véhicule doit extraire les informations utiles pour les communiquer. Nous présentons nos travaux effectués dans ce contexte, et une proposition d'architecture qui permet de trouver un compromis entre la modification de la trajectoire et l'atteinte de points de rendez-vous.

Abstract

There is a growing research interest in Autonomous Underwater Vehicles (AUV), due to the need for increasing our knowledge about the deep sea and understanding the effects the human way of life has on it. This need has pushed the development of new technologies to design more efficient and more autonomous underwater vehicles. Autonomy refers, in the context of this thesis, to the ``decisional autonomy'', i.e. the capability of taking decisions, in uncertain, varying and unknown environments. A more recent concern in AUV area is to consider a fleet of vehicles (AUV, ASV, etc). Indeed, multiple vehicles with heterogeneous capabilities have several advantages over a single vehicle system, and in particular the potential to accomplish tasks faster and better than a single vehicle. Underwater target localization using several AUVs (Autonomous Underwater Vehicles) is a challenging issue. A systematic and exhaustive coverage strategy is not efficient in term of exploration time: it can be improved by making the AUVs share their information and cooperate to optimize their motions. The contribution of this thesis is the definition of an architecture that integrates such a strategy that adapts each vehicle motions according to its and others' sensory information. Communication points are required to make underwater vehicles exchange information: for that purpose the system involves one ASV (Autonomous Surface Vehicle), that helps the AUVs re-localize and exchange data, and two AUVs that adapt their strategy according to gathered information, while satisfying the associated communication constraints. Each AUV is endowed with a sensor that estimates its distance with respect to targets, and cooperates with others to explore an area with the help of an ASV. To provide the required autonomy to these vehicles, we build upon an existing system (\texttt{T-REX}) with additional components, which provides an embedded planning and execution control framework. Simulation results are carried out to evaluate the proposed architecture and adaptive exploration strategy.

Mots-Clés / Keywords

Architecture coopérative; Planification de tâches; Véhicules sous marins; Stratégie d'exploration; Coopération multi-véhicules sous marins;

Abstract

Future space exploration missions aim at landing and returning samples from moon, planets and asteroids. Autonomous precision landing capabilities will have to reach pre-selected landing sites which may lie near hazardous terrain features such as craters, rocks. However, past and current robotic landers are still far from this ability. For example, the rover Mars Science Laboratory, to be launched in 2011, is programmed to land on a position with an error of several kilometers. The first goal of thesis is to propose a vision-based absolute navigation system, named "Landstel", for interplanetary landers, especially for missions on Mars or on Moon. Contrary to current absolute navigation systems proposed in the literature which rely either on the usage of image intensity or on specific surface landmarks like craters, Landstel employs the topological property of generic surface landmarks. As a result, Landstel is not restricted to any particular terrain. Landstel also exhibits a high robustness with respect to illumination variations and sensor noise. In addition, the use of surface landmarks allows Landstel to drastically reduce the required onboard memory. Besides Landstel, the second goal of the thesis is to propose a framework to integrate Landstel inside a complete navigation system called VIBAN, including absolute localization, inertial navigation and/or visual odometry. The absolute position estimate returned by Landstel is firstly verified using the visual odometry tracked points. Then, the verified position estimate is fused with the velocity estimate of the visual odometry in a Kalman filter to improve the estimated position. The updated position is later returned back to Landstel which increases the speed of Landstel by focusing the search for matches and reduces the probability of false estimations. Finally, the points tracked by visual odometry are fed to Landstel to augment the number of matches returned by Landstel. Besides these interests, the integration scheme does not impose any constraints on the spacecraft velocity or angular rate. Extensive experiments with PANGU, a surface simulator, and with Earth images validate the proposed system.

Résumé

Les missions d'exploration planétaires dans l'avenir demandent une grande précision sur la position de l'atterrissage à la surface de Mars, de la Lune ou d'astéroïdes. Les technologies utilisées dans les sondes interplanétaires récentes ou dans le futur proche sont encore loin de cette capacité: par exemple, le robot Mars Science Laboratory, qui sera lancé en 2011, se posera en un endroit qui n'est connu qu'avec une précision de l'ordre de 10 km. Le premier objectif de cette thèse est de proposer un système de navigation absolue pour les sondes interplanétaires lunaires ou martiennes qui se base sur la vision, nommé "Landstel". Contrairement aux systèmes de navigation absolue qui se basent sur la détection et l'appariement des cratères ou directement sur l'intensité des images perçues, Landstel exploite la topologie des amers détectés dans les images. Par conséquent, il n'est pas restreint à aucune surface particulière. Landstel montre aussi une grande robustesse par rapport aux variations de condition d'illumination et au bruit des capteurs embarqués, et ne requiert que très peu de mémoire. Le deuxième objectif de la thèse est de proposer un cadre pour intégrer Landstel dans un système de navigation complète, appelé VIBAN, qui comprend des capteurs inertiels et/ou un système d'odométrie visuelle. La position absolue estimée par Landstel est d'abord validée avec les appariements de l'odomètre visuel, puis elle est combinée avec l'estimation de l'odomètre visuel avec un filtre de Kalman pour améliorer sa précision. La position mise à jour est ensuite retournée à Landstel pour accélérer le système de navigation en réduisant la zone de recherche des appariements et aussi le taux de fausses estimations. Finalement, les amers suivis par l'odomètre visuel sont fournis à Landstel pour augmenter le nombre des appariements. De très nombreuses expériences avec PANGU, un simulateur de terrain, et avec des images réelles, valident le système proposé.

Mots-Clés / Keywords

Landstel; Absolute navigation; Vision; Camera; Pin-point landing; Lander; Moon; Mars; Navigation absolue; Caméra; Attérisseur; Lune;

Résumé

L'apparition de robots de service de plus en plus complexes ouvre de nouvelles perspectives quant aux tâches de manipulation d'objets. Malgré les progrès récents des techniques de plani fication de mouvement, peu d'entre elles s'intéressent directement à des systèmes multi-bras comme les torses humanoïdes. Notre contribution à travers cette thèse porte sur trois aspects. Nous proposons une technique de planification de mouvement performante basée sur la coordination des mouvements du système multi-bras. Elle exploite au mieux la structure du système en la divisant en parties élémentaires dont les mouvements sont planifiés indépendamment du reste du système. La fusion des différents réseaux élémentaires générés est ensuite réalisée dans le but d'obtenir un graphe prenant en compte le robot tout entier. Une seconde contribution porte sur l'extension des méthodes de planification pour des robots présentant des chaînes cinématiques fermées. Ces boucles cinématiques apparaissent dans le système lorsque, par exemple, le torse humanoïde saisit un objet avec plusieurs bras. Cette méthode traite explicitement les configurations singulières des manipulateurs, offrant ainsi une meilleure maniabilité de l'objet. Finalement, nous proposons deux approches pour la planification de tâches de manipulation d'objets par un torse humanoïde. La première concerne la résolution d'une tâche de prise et pose d'objets par un torse humanoïde à deux bras dans le cas où les contraintes imposées par la tâche nécessitent le passage par une double prise afin de transférer l'objet d'une main à l'autre. La seconde porte sur la résolution du même type de tâche par un manipulateur mobile. La thèse, effectuée dans le cadre du projet européen Phriends, présente les résultats d'expérimentations réalisées sur le robot Justin, démonstrateur du projet.

Abstract

The emergence of new more and more complex service robots opens new research fields on objet manipulation. Despite the recent progresses in motion planning techniques, few of them deal directly with multi-arm systems like humanoid torsos. Our contribution through this thesis focuses on three aspects. We present an efficient motion planning technique based on the multi-arm system motion coordination. It takes advantage of the system's structure by dividing it into elementary parts of which movements are planned independently of the rest of the system. Generated elementary networks are then fused to obtain a roadmap that takes into account the whole robot. The second contribution consists of the extension of motion planning methods for a robot under loop closure constraints. These kinematic loops appear in the system when, for example, the humanoid torso grasps an objet with two arms. This method treats explicitly the singular configurations of the manipulators, providing better handling of the object. Finally, we present two approaches for planning object manipulation tasks by humanoid torsos. The first concerns solving pick and place task by humanoid torso where the imposed task constraints require a passage through a double grasp to transfer the object from one hand to the other. The second approach concerns the resolution of the same type of task by a mobile manipulator. The presented methods have been integrated on a real platform, Justin, and validated with experiments in the frame of E.U. FP-6 PHRIENDS project.

Mots-Clés / Keywords

Manipulation; Multi-bras; Robot; Chaînes fermées; Two arms; Closed chain; Planification;