Développer un système permettant à un micro-robot mobile de:

• se localiser dans un environnement de laboratoire et
• d'utiliser cette information pour piloter correctement une trajectoire de navigation déterminée
• au moyen d'un poste de commande évolué qui communique avec lui par une liason sans fil.

Exigences supplémentaires
Comme le veut la "tradition" dans GEL-16146, en plus des exigences de base, chaque équipe devra identifier un objectif supplémentaire qui conférera la personnalité propre de sa réalisation. Cet objectif supplémentaire devra être rapidement précisé au début du trimestre en s'assurant qu'il fait concensus au sein de l'équipe.

Pour mener à bien cette entreprise, vous disposez des éléments suivants:

• Une documentation fort complète, tant sur les principes pertinents que sur le robot spécifique, choisi parce qu'il possède des architectures mécanique,  électronique et informatique parfaitement ouvertes.  La section Informations et ressources contient un liste importante de liens et de documents disponibles sur le web. Des copies papier de certains d'entre eux vous seront prêteés pour le trimestre.
• Un micro-robot mobile de type "rug warrior" doté de facilités de traitement et de communication de base intégrés (microcontrôleur 68HC11, communication série, plusieurs capteurs intégrés).  Les moyens de communication devront être enrichis et le contrôleur intégré devra être agencé de manière à fonctionner en synergie avec un PC externe qui fournira intelligence supplémentaire et interface personne-machine. Des capteurs supplémentaires devront être ajoutés et interfacés.
• Des capteurs permettant d'étudier la localisation spatiale par ondes sonores et ultrasonores.
• De sources sonores (émetteur et amplificateurs) au coin de l'espace de travail. Vous devrez développer l'unité de commande et de synchronisation de ces sources.
• D'un poste de travail de développement
• D'un environnement de dévelopement logiciel spécifique au robot de même que des ressources logicielles générales.

Lors de l'élaboration du plan d'exécution, il est impératif de soigneusement identifier les étapes du projet. Si on établit une liste -  préliminaire - des divers éléments techniques que votre entreprise devra maîtriser, il y a au moins:

• Analyser les requis, bien s'assurer qu'on les comprend et que les objectifs sont clairs.
• Se familiariser avec les ressources matérielles, notamment la plate-forme robotique.
• Se familiariser avec les ressources logicielles, comme celles du développement sur Windows (qui sera probablement l'environnement que vous utiliserez) de même que la ressource Integrated C et les librairies spécifiques au robot et à ses prériphériques.
• Développer la stratégie de localisation par moyens sonores, en effectuant des recherches appropriées, des mesures expérimentales de validation et des essais préliminaires d'implantation.
• Développer la stratégie de communication sans-fil, en examinant de manière détaillée les alternatives infrarouge vs radio, en évaluant leurs avantages et désavantages respectifs, et en élaborant une couche logique de communication qui puisse se marier efficacement à la communication par câble qui est déjà fournie.
• Elaborer l'architecture de l'unité électronique supplémentaire que vous ajouterez au robot et la manière dont elle pourra s'interfacer avec le circuit de commande déjà incorporé.
• Elaborer l'architecture du poste de commande, en examinant les questions de simulation, d'interface personne-machine, en prévoyant les modes nécessaires (par ex. mode "déverminage", mode "supervisé", mode "gestion", mode "autonome ou semi-autionome", etc.
• Définir les conventions d'interface, aussi bien entre l'électronique et l'informatique qu'entre les divers segments informatiques.
• Prévoir les moyens et mécanismes de documentation continue des décisions et travaux, conçus afin d'assurer une circulation fluide entre les membres de l'entreprise.
• Etc.

Gestion du risque: sur la problématique de détermination de la localisation du robot

Si on examine la liste des éléments techniques, celui qui concerne la méthode de localisation sonore doit probalement vous apparaître comme le plus risqué, et ceci à plusieurs titres. D'une part, vos connaissances en acoustique sont probablement peu développées, et d'autre part la fonctionnalité de localisation est tout à fait fondamentale pour permettre l'exploitation sunséquente du robot. Le succès de cet élément conditionne le succès de l'ensemble. Il sera donc essentiel que vous y engagiez un effort particulièrement intense et - comme il s'agit d'une terre plus inconnue - que vous procédiez rapidement à des essais de principe sur des montages-prototypes.

L'approche de localisation que j'ai en tête dans le présent projet consiste à combiner 3 types de données:

• Des données de type odométrique: connaissant les commandes de déplacement qui activent les roues motrices, on est en principe capable de les intégrer pour en arriver à déduire en tout temps la position et l'orientation de l'unité mobile. L'approche est correcte mais souffre de nombreux aléas: par exemple, les roues peuvent glisser, le sol peut avoir un relief irrégulier, la position est relative.
• Des données par sonar: nous avons commandé pour chaque robot un kit sonar que la firme Polaroid a initialement développé pour la mesure de distance de ses caméras et qui est très populaire en robotique. L'unité comporte un émetteur et un récepteur avec l'électronique de commande, facilement interfaçable au robot qui est mis à votre disposition. Le principe du sonar est simple, mais cette approche souffre également de problèmes. Il y a notamment qu'aux fréquences utilisées (et utilisables) dans l'air libre, la plupart des surfaces des scènes où nous évoluons agissent comme des miroirs presque parfaits (la "rugosité" de leur surface étant très petite par rapport à la longueur d'onde) avec le résultat que le faisceau, une fois émis, subit typiquement de nombreuses réflexions, et que le temps de transit de l'écho reçu (donc la distance "mesurée") n'est pas nécessairement la distance directe et apparente. Un autre problème vient du fait que l'angle d'émission est typiquement assez large: il serait difficile d'obtenir une image sonar d'un environnement dont la résolution spatiale dépasserait, disons, 10 pixels x 10 pixels.
• Nous vous proposons d'explorer une seconde méthode sonore, que nous avons avons imaginé pour le présent projet, et qui consistera à conserver le récepteur (microphone) sur la plate-forme mobile, mais à placer les émetteurs en des endroits fixes (et connus) à la périphérie de la zone de travail, tel que suggéré sur la figure ci-dessous. On imagine qu'il serait possible de mesurer le temps entre l'émission d'une impulsion brève et sa réception sur le microphone. Mais il faudrait connaître exactement le moment de l'émission, qui est indépendante du robot. Le concept que je vous propose ici et de générer une suite d'impulsions qui sont décalées dans le temps d'une manière fixe et précise; le microphone recevra ces impulsions avec des retards qui correspondent à ceux de leur émission plus le temps de transit. Comme le décalage d'émission est connu, il est facile d'en extraire un temps de transit différentiel. Vous pourrez vous convaincre que cette différence définit un lieu dans le plan. En utilisant plus de deux sources, l'intersection des lieux de transit devrait être en mesure de fournir l'endroit précis de réception. On notera ici que l'approche possède des similitudes par rapport à la stratégie des systèmes de localisation par satellites géostationnaires, le "Global Positionning System". Vous aurez à votre disposition 4 sources (haut parleurs et amplis) qui seront placées à des points de référence fixes dans l'espace de travail. Chaque équipe  devra cependant construire l'unité électronique qui produit les impulsions (soigneusement décalées) de son système; cette unité devra être conçue pour qu'elle puisse se brancher sur les amplificateurs en un tourm de main. Vous aurez à vous préoccuper de la directivité des signaux sonores, en souhaitant par exemple que le microphone ait un patron de réception omni-directionnel. Ici je vous invite à explorer des configurations diverses de microphones et à vous renseigner sérieusement sur le rôle critique que le pavillon de l'oreille humaine (la pinna) joue sur la perception spatiale de notre systèeme auditif, qui est tout à fait remarquable.

La documentation qui vous est fournie par le volume "Navigating Mobile Robots: Sensors and Technique", qui est une source remarquable d'informations sur la navigation, comprend d'ailleurs un chapitre d'introduction sur le filtrage de Kalman, de même qu'une biographie pertinente.

 

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