École Polytechnique de Montréal Département de génie électrique ELE3100 - Projets de génie électrique Robotique et informatique Cours no. 2: robotique mobile, généralités Coordonnateur: Réjean Plamondon, ing. Ph.D., professeur titulaire Département de génie électrique, section génie biomédical (A.429.16) Courriel: rejean.plamondon@polymtl.ca Chargé de cours et de laboratoire: Julien Beaudry, étudiant M.Sc.A. (A.321) Courriel: julien.beaudry@polymtl.ca Chargé de laboratoire: Moussa Djioua, étudiant Ph.D. (A.408) Courriel: moussa.djioua@polymtl.ca

ELE3100, Projets de génie électrique: robotique mobile, généralités Mise en contexte et quelques définitions D’où vient le terme robot? Terme introduit par Karel Capek, auteur Tchèque, dans sa pièce Russel’s Universal Robots, en 1921. Le terme viendrait des mots tchèques robota (travail) et robotnik (ouvrier). Le terme a été repris et grandement popularisé par Isaac Asimov. 2

ELE3100, Projets de génie électrique: robotique mobile, généralités Mise en contexte et quelques définitions D’où vient le terme robot? Terme introduit par Karel Capek, auteur Tchèque, dans sa pièce Russel’s Universal Robots, en 1921. Le terme viendrait des mots tchèques robota (travail) et robotnik (ouvrier). Le terme a été repris et grandement popularisé par Isaac Asimov. Définition simple et générale du terme robot? Avec la variété de robots développés aujourd’hui, il est difficile de définir ce terme très spécifiquement. Une définition très générale est appropriée. Robot: système autonome programmé pour exécuter une ou plusieurs tâches. 3

ELE3100, Projets de génie électrique: robotique mobile, généralités Mise en contexte et quelques définitions Qu’est-ce que la robotique? Dans un cadre général, c’est tout simplement l’étude et l’utilisation des systèmes robotisés. 4

ELE3100, Projets de génie électrique: robotique mobile, généralités Mise en contexte et quelques définitions Qu’est-ce que la robotique? Dans un cadre général, c’est tout simplement l’étude et l’utilisation des systèmes robotisés. Qu’est-ce qu’un robot mobile? Contrairement à un bras robotisé, qui est généralement contraint à travailler dans une zone de travail fixe et restreinte, un robot mobile peut naviguer dans son environnement et ainsi étendre sa zone de travail. © NASA JPL 5

ELE3100, Projets de génie électrique: robotique mobile, généralités Mise en contexte et quelques définitions Intérêt de la robotique mobile Pour qu’un robot mobile soit en mesure de naviguer de façon autonome dans son environnement, il lui faut compter sur plusieurs éléments techniques essentiels : plate-forme mécatronique agile, lien de communication à haut débit, processus décisionnel évolué, système de perception adéquat, etc. 6

ELE3100, Projets de génie électrique: robotique mobile, généralités Mise en contexte et quelques définitions Intérêt de la robotique mobile Pour qu’un robot mobile soit en mesure de naviguer de façon autonome dans son environnement, il lui faut compter sur plusieurs éléments techniques essentiels : plate-forme mécatronique agile, lien de communication à haut débit, processus décisionnel évolué, système de perception adéquat, etc. Ainsi donc, la robotique mobile met en pratique des concepts provenant d’une multitude de domaines scientifiques. 7

ELE3100, Projets de génie électrique: robotique mobile, généralités Domaines sous-jacents À la base, trois disciplines du génie sont principalement impliquées dans le développement des systèmes robotisés: le génie mécanique le génie électrique le génie informatique 8

ELE3100, Projets de génie électrique: robotique mobile, généralités Domaines sous-jacents À la base, trois disciplines du génie sont principalement impliquées dans le développement des systèmes robotisés: le génie mécanique le génie électrique le génie informatique Le développement d’un robot demande un travail d’équipe efficace et une bonne coordination entre des gens provenant de différents domaines. 9

ELE3100, Projets de génie électrique: robotique mobile, généralités Domaines sous-jacents – Mécatronique La mécatronique est à la base de la conception de tout ce qui permet au robot d’agir sur son environnement et elle peut également servir à améliorer la perception du robot: plates-formes motrices, outils manipulateurs, caméra mobile, etc. 10

ELE3100, Projets de génie électrique: robotique mobile, généralités Domaines sous-jacents – Mécatronique La mécatronique est à la base de la conception de tout ce qui permet au robot d’agir sur son environnement et elle peut également servir à améliorer la perception du robot: plates-formes motrices, outils manipulateurs, caméras articulées, etc. 11

ELE3100, Projets de génie électrique: robotique mobile, généralités Domaines sous-jacents – Électronique Pour qu’un robot soit en mesure de percevoir son environnement, de prendre des décisions et de contrôler ses actuateurs, il lui faut une multitude de circuits électroniques. 12

ELE3100, Projets de génie électrique: robotique mobile, généralités Domaines sous-jacents – Électronique Pour qu’un robot soit en mesure de percevoir son environnement, de prendre des décisions et de contrôler ses actuateurs, il lui faut une multitude de circuits électroniques. 13

ELE3100, Projets de génie électrique: robotique mobile, généralités Domaines sous-jacents – Électronique Pour qu’un robot soit en mesure de percevoir son environnement, de prendre des décisions et de contrôler ses actuateurs, il lui faut une multitude de circuits électroniques. 14

ELE3100, Projets de génie électrique: robotique mobile, généralités Domaines sous-jacents – Électronique Pour qu’un robot soit en mesure de percevoir son environnement, de prendre des décisions et de contrôler ses actuateurs, il lui faut une multitude de circuits électroniques. Un robot est souvent doté de circuits électroniques à différentes échelles, allant du circuit VLSI au prototype monté sur une plaquette. 15

ELE3100, Projets de génie électrique: robotique mobile, généralités Domaines sous-jacents – Intelligence artificielle À partir du moment qu’un robot prend une décision autonome, nous pouvons parler de système intelligent. L’intelligence artificielle, à travers différentes techniques et algorithmes, permet l’implantation de mécanismes intelligents: apprentissage, comportements dynamiques et adaptatifs, recherche de chemin, travail en coopération, etc. Les réseaux de neurones sont fréquemment utilisés en robotique mobile pour résoudre des problèmes variés. 16

ELE3100, Projets de génie électrique: robotique mobile, généralités Domaines sous-jacents – Contrôle Le contrôle est un domaine vaste et riche de plusieurs dizaines d’années de recherche, principalement basée sur des raisonnements mathématiques. Il en découle des méthodes et des règles formelles qui sont couramment utilisées dans une multitude de systèmes. Le contrôleur de vitesse d’une automobile et le pilote automatique d’un avion de ligne sont des exemples d’utilisation. La boucle PID est probablement la méthode de contrôle la plus populaire. 17

ELE3100, Projets de génie électrique: robotique mobile, généralités Domaines sous-jacents – Informatique Un robot est généralement muni d’une unité de traitement d’information (microcontrôleur ou ordinateur) lui permettant de percevoir, de réfléchir et d’agir en temps-réel. Les deux langages les plus répandus sont l’assembleur (robots à microcontrôleurs) et le C/C++ (robots avec ordinateurs embarqués). Les développements en robotique mobile sont intimement reliés aux développements du domaine de l’informatique. 18

ELE3100, Projets de génie électrique: robotique mobile, généralités Domaines sous-jacents – Chimie et physique La chimie et la physique peuvent être impliquées dans la conception de différents capteurs. Par exemple, la vision artificielle fait couramment référence à des notions d’optique. 19

ELE3100, Projets de génie électrique: robotique mobile, généralités Domaines sous-jacents – Chimie et physique La chimie et la physique peuvent être impliquées dans la conception de différents capteurs. Par exemple, la vision artificielle fait couramment référence à des notions d’optique. 20

ELE3100, Projets de génie électrique: robotique mobile, généralités Système typique La robotique, c’est compliqué?? Beaucoup moins que ça en a l’air… Un robot est un système composé d’une multitude de sous-systèmes jouant des rôles spécifiques. Généralement, chacun de ces sous-systèmes est relativement simple. Le bon fonctionnement d’un robot est en grande partie dû à une interaction simple et fonctionnelle entre les différents sous-systèmes. Une bonne vue d’ensemble est essentielle. 21

ELE3100, Projets de génie électrique: robotique mobile, généralités Système typique – Électronique Contrôleur Interface Ampli Ordinateur Moteur E Interface Capteurs DC/DC Batteries vers Ampli vers circuits x N actuateurs : numérique : analogique : puissance 22

ELE3100, Projets de génie électrique: robotique mobile, généralités Système typique – Logiciel 3 éléments de base de tout logiciel de contrôle: Perception Capteurs Réflexion + Décision Action Actuateurs pilotes, circuits d’interface 23

ELE3100, Projets de génie électrique: robotique mobile, généralités Exemples d’application Robots génériques pour projets de recherche Il existe différentes plates-formes commerciales relativement simples visant à offrir un outil de développement bien adapté pour différents projets de recherche: développement d’algorithmes de navigation, de systèmes multi-robots, de contrôle de haut niveau, etc. Les robots les plus répandus à l’heure actuelle proviennent de l’entreprise ActivMedia Robotics: http://www.activrobots.com 24

ELE3100, Projets de génie électrique: robotique mobile, généralités Exemples d’application Robots génériques pour projets de recherche Il existe différentes plates-formes commerciales relativement simples visant à offrir un outil de développement bien adapté pour différents projets de recherche: développement d’algorithmes de navigation, de systèmes multi-robots, de contrôle de haut niveau, etc. Les robots les plus répandus à l’heure actuelle proviennent de l’entreprise ActivMedia Robotics: http://www.activrobots.com Ces plates-formes étant relativement simples, il est relativement facile d’en faire la conception et de se fabriquer son propre prototype. 25

ELE3100, Projets de génie électrique: robotique mobile, généralités Exemples d’application Systèmes robotisés à vocation militaire Les guerres mettant des vies humaines en jeu, la robotique peut jouer un rôle important dans ce domaine. Une panoplie d’applications sont possibles. Quelques exemples: Missiles autoguidés Véhicules de reconnaissance Véhicules de guerre autonomes Atterrissage autonome sur porte-avions La quantité de ressources impliquée dans le développement de ce type de systèmes est gigantesque. Les résultats sont heureusement souvent applicables à d’autres systèmes. 26

ELE3100, Projets de génie électrique: robotique mobile, généralités Exemples d’application Robots d’inspection sous-marine Différents robots mobiles, généralement téléopérés d’où l’appellation Remotely Operated Vehicle (ROV), ont été développés dans le but d’inspecter des lieux ou ouvrages sous-marins difficilement ou dangereusement accessibles par des plongeurs humains. Les robots sous-marins demandent du matériel spécialisé très coûteux. Le milieu sous-marin facilite une navigation tridimensionnelle stable et peu énergivore. 27

ELE3100, Projets de génie électrique: robotique mobile, généralités Exemples d’application Robots d’inspection sous-marine ROV3 développé par des chercheurs d’Hydro-Québec http://www.hydroquebec.com/technologie/ireq/fiches/pr_rov3.html 28

ELE3100, Projets de génie électrique: robotique mobile, généralités Exemples d’application Robots d’inspection sous-marine L’entreprise Deep Ocean Engineering commercialise plusieurs véhicules sous-marins 29 http://www.deepocean.com/

ELE3100, Projets de génie électrique: robotique mobile, généralités Exemples d’application Robots d’inspection sous-marine Autres entreprises commercialisant des robots sous-marins: Perry Slingsby Systems (http://www.slingsby-engineering.co.uk) Oceaneering International, Inc. (http://www.oceaneering.com) Canyon Offshore (http://www.canyonrov.com) Ressources sur Internet http://www.rov.net/ 30

ELE3100, Projets de génie électrique: robotique mobile, généralités Exemples d’application Véhicules routiers autonomes Dans un avenir plus ou moins rapproché, il est possible que nos automobiles soient en mesure de circuler sur une autoroute, ou encore de se stationner, et ce de façon autonome. De nombreux projets de recherche sont reliés à ces objectifs. Les véhicules routiers autonomes développés en RetD sont généralement des véhicules existants auxquels sont greffés des modules instrumentés pour permettre une conduite autonome. 31

ELE3100, Projets de génie électrique: robotique mobile, généralités Exemples d’application Véhicules routiers autonomes Centres de recherche sur l’automobile de demain: Au Canada: Auto21 l’Automobile du XXIe siècle (http://www.auto21.ca/) En Californie: PATH (http://www.path.berkeley.edu/) Au Japon: AHSRA (http://www.ahsra.or.jp) IEEE ITS Council (http://www.ewh.ieee.org/tc/its/) 32

ELE3100, Projets de génie électrique: robotique mobile, généralités Exemples d’application Véhicules routiers autonomes Projets de recherche universitaires: Le NavLab de l’Université Carnegie Mellon (http://www.ri.cmu.edu/labs/lab_28.html) Le FCD de l’Université de Sherbrooke (http://www.gel.usherb.ca/FCD/) Compétition universitaire AUVSI (http://www.igvc.org/deploy/) Compétition DARPA Grand Challenge (http://www.darpa.mil/grandchallenge/) 33

ELE3100, Projets de génie électrique: robotique mobile, généralités Exemples d’application Véhicules aériens autonomes Tout comme pour les autres types de véhicules, il existe beaucoup d’intérêt pour le développement de véhicules aériens autonomes (Unmanned Aerial Vehicles, UAV) qui peuvent être utilisés pour faire de l’inspection, de la reconnaissance, du transport ou encore pour des applications militaires. USAF Predator: http://www.airforce-technology.com/projects/predator/ 34

ELE3100, Projets de génie électrique: robotique mobile, généralités Exemples d’application Robots d’exploration spatiale Pour limiter les coûts de l’exploration lunaire et interplanétaire et également pour explorer des endroits inaccessibles par l’humain à l’heure actuelle, la robotique mobile est une solution adéquate. Ces robots sont très sophistiqués et leur degré d’autonomie augmente tranquillement, le délai dans la communication par satellite posant un problème pour la télé-opération. Les robots d’exploration spatiale demandent une robustesse sans faille face à des conditions extrêmes. Pour permettre un voyage interplanétaire, ces robots sont contraints à des espaces très restreints, demandant des prouesses au niveau de la conception mécanique. 35

ELE3100, Projets de génie électrique: robotique mobile, généralités Exemples d’application Robots d’exploration spatiale Le Jet Propulsion Laboratory de la NASA est un des laboratoires les plus actifs dans ce domaine. http://www.jpl.nasa.gov/ 36

ELE3100, Projets de génie électrique: robotique mobile, généralités Exemples d’application Robots de service Un robot de service a comme objectif d’assister ou de remplacer l’être humain dans ses tâches routinières. La distribution du courrier, la gestion d’entrepôts, l’assistance en chirurgie en sont des exemples. http://www.activrobots.com/ROBOTS/peoplebot.html http://asimo.honda.com/ http://www.pyxis.com/products/helpmate.asp L’intelligence artificielle joue un rôle important lorsqu’un robot doit interagir avec des êtres humains. 37