UPJV, Département EEA. Master 2 EEAII Parcours ViRob. Fabio MORBIDI

Transcription

1 UPJV, Département EEA Master 2 EEAII Parcours ViRob Fabio MORBIDI Laboratoire MIS! Équipe Perception et Robotique! fabio.morbidi@u-picardie.fr! Mardi 9h30-12h30 et 15h00-17h30 Salle TP101 Semestre 9, A.U

2 Plan du cours Partie I : Perception Avancée Chapitre 1: Perception pour la robotique [F. Morbidi] 1. Introduction 2. Classification des capteurs 3. Typologies de capteur Chapitre 2: Modélisation d incertitudes [D. Kachi] 1. Introduction 2. Représentation de l incertitude 3. Représentation statistique 4. Propagation de l erreur: fusion des mesures de l incertitude Chapitre 3: Traitement des mesures [D. Kachi] 1. Réseau multi-capteurs 2. Fusion des mesures 2

3 Chapitre 1: Perception pour la robotique Capteurs de contact (1) 3. Typologies de capteur «Bumper» : plot de contact tout ou rien (fonctionnement basé sur la pression) Avantages: coût, calcul, vitesse, robustesse, sécurité Inconvénients: information pauvre, contrainte sur l environnement Trois «bumpers» 3

4 Capteurs de contact (2) Capteur d efforts Permet de mesurer les efforts en force et/ou en couple sur un effecteur Applications : Mains robotisées (capteurs tactiles/peau artificielle) Interfaces haptiques Robots industriels (coopératifs) Inconvénients : coût élevé, étalonnage, fragile, plage de mesures faibles 4

5 Capteurs de contact (2) Capteur d efforts à 6 DDL Il est un capteur actif qui traduit une variation de sa structure interne (en raison d une force/couple) en signal électrique Mz Fz Mx My Fx Fy Torseur d effort (Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz) dans la base du capteur à 6 DDL 5

6 Capteurs de contact (2) Exemple: 6-axis force-torque sensor FT 150 de Robotiq Compatibilité sur le robots Universal Robots, Yaskawa, Fanuc et ABB (environnement ROS) Épaisseur : 37.5 Trou Poids: 650 g Unité : mm 6

7 Capteurs de contact (2) Exemple: 6-axis force torque sensor FT 150 de Robotiq Applications Assemblage Guidage de mains robotisées Finition 7

8 Capteurs de contact (2) Exemple: 6-axis force torque sensor FT 150 de Robotiq Caractéristiques du capteur Plage de mesure Résolution effective Bruit du signal Débit de données en sortie Tension d'entrée Puissance absorbée maximale Interface électrique Fx, Fy, Fz Mx, My, Mz Fx, Fy, Fz Mx, My, Mz Fx, Fy, Fz (combinées) Mx, My, Mz (combinées) ± 150 N ± 15 Nm ± 0.2 N ± 0.02 Nm ± 0.5 N ± 0.03 Nm 100 Hz 6-28 V-DC 2 W RS-485, RS-232, USB 8

9 Capteurs de contact (2) Applications: mains robotisées Main Robonaut Main DLR Someya Lab, Univ. de Tokyo Peau flexible avec une matrice intégrée de transistors organiques 9

10 Capteurs de contact (2) Applications: interfaces haptiques (du grec haptikos = capable d'entrer en contact avec) Omega 7 de Force Dimension Falcon de Novint 10

11 Capteurs de contact (2) Applications: robots industriels coopératifs ( Cobots ) UR3 de Universal Robots LBR IIWA ( lightweight, intelligent industrial work assistant") de KUKA 11

12 Capteurs de contact (2) Autres applications industrielles Insertion d une bobine dans un creux non chanfreinés Reconnaissance de position et ébavurage Montage d un moteur à pistons Emballage de pièces électroniques de forme irrégulière 12

13 Capteurs proprioceptifs Odométrie (du grec odos, qui signifie "route", et metron, qui signifie "mesure") On «intègre» les révolutions des roues du robot pour avoir une estimation du parcours effectué (comme nous le verrons dans le cours de «Localisation et Navigation de Robots») Inconvénients Dérive sur des parcours longs Glissement des roues 13

14 Capteurs proprioceptifs 1. Accéléromètre Intégré sur puce Utilisé dans les smart-phones, drones, airbags, Nintendo Wii, pacemakers, etc. 2. Gyroscope Mesure du cap (ou heading), faible coût, dérive mieux que 1 degré par heure (en avionique: deg/h) 3. Inclinomètre (ou clinomètre) Mesure des angles par rapport à la ligne d'horizon (ou horizontale) Inclinomètres très sensibles: résolution 0.01 o Applications: navigation des bateaux (anciens astrolables), commande de vol des avions 14

15 Capteurs proprioceptifs 4. Magnétomètre Mesure l intensité ou la direction (boussole/compas) d un champ magnétique Magnétomètre vectoriel: à induction magnétique (fluxmètre), à saturation (fluxgate), à effet Hall, etc. En 2009, le prix d'un magnétomètre à 3 axes est tombé en dessous de 1$ par appareil. Ils sont integrés sur la plupart des smart-phones 5. GPS Exactitude standard: mètres. Elle peut être augmentée à quelques mètres 15

16 Capteurs exteroceptifs Passifs Capteurs de vision Technologies: linéaire, matrice CCD, CMOS, etc. Plusieurs configurations (capteur single ou multiple, ex. stéréo) et «accessoires» (lentilles «fisheye», miroirs, etc.) Centrales inertielles Actifs Capteurs IR (infra-rouge) Télémètres laser Sonars (ultrasons) Radars (ondes radio) 16

17 A : Actif P : Passif PC : Proprioceptif EC : Extéroceptif Classification (utilisation typique) Capteurs tactiles (détection de contact physique ou de proximité, interrupteurs de sécurité) Capteur/Système de perception Interrupteurs de contacts, bumpers PC ou EC EC A ou P Barrière optique EC A P Encodeurs à balais PC P Potentiomètres PC P Capteurs de roue/moteur (vitesse et position de roue/ moteur) Encodeurs optiques PC A Encodeurs magnétiques PC A Encodeurs inductifs PC A Encodeurs capacitifs PC A 17

18 Classification (utilisation typique) Capteur/Système de perception PC ou EC A ou P Capteurs d orientation (orientation du robot en relation à un référentiel fixe) Compas EC P Gyroscope PC P Inclinomètre EC A/P Basé balise (localisation dans un référentiel fixe) GPS EC A Balise active optique ou radio EC A Balise active à ultrasons EC A Balises réflectives EC A 18

19 Classification (utilisation typique) Capteur/Système de perception PC ou EC A ou P Télémétrie active (réflectivité, tempsde-vol et triangulation géométrique) Capteurs de réflectivité EC A Capteur à ultrasons EC A Télémètre laser EC A Triangulation optique (1D) EC A Lumière structurée (2D) EC A Capteurs de mouvement/vitesse (vitesse relative à des objets statiques ou fixes) Doppler radar EC A Doppler sonore EC A Capteurs de vision (télémétrie visuelle, analyse de l image complète, segmentation, reconnaissance d objet) Caméras à capteur CCD/CMOS EC P 19

20 Gyroscopes (Gyros) Mesure de changement d orientation Trois principes de fonctionnement Mécanique (il repose sur le principe de conservation du moment angulaire) Optique (il repose sur l effet de Sagnac) MEMS (systèmes micro-électromécaniques) Deux catégories Mesure directe d angles (rare) Gyroscopes fréquentiels: mesure de vitesse de rotation Inconvénient: dérive Nécessité d un recalage fréquent Dérive parfois supérieure à l exactitude requise 20

21 Gyroscopes mécaniques Le couple réactif τ est proportionnel à la vitesse de rotation ω de la roue disque, à la vitesse de précession Ω et à l inertie de la roue I : Gyro mécanique de haute qualité: 70 k Dérive: 0.02 deg/h τ = I ω Ω Mécanique complexe Peu utilisé en robotique mobile Moment angulaire τ = I ω Ω Ω Précession ω Axe de rotation (libre) 21

22 Gyroscopes optiques Basés sur le comportement d une onde optique dans un repère en rotation (effet de Sagnac) Détection de rotation mécanique basée interférence lumineuse: Deux rayons lumineux en directions opposées Le rayon voguant contre la rotation est plus court Décalage de phase Intensité combinée dépend de la fréquence de rotation Résolution de l ordre du deg/s 22

23 Gyroscopes optiques Plateforme en rotation soutenant le capteur Les deux faisceaux vont en sens inverse Source de lumière (laser) Miroir semi transparent (sépare le faisceau en deux) Effet de Sagnac Interferomètre: mesure la difference de temps de parcours des deux faisceaux 23

24 Gyroscopes fréquentiels MEMS Eléments mécaniques vibrant Perception de l accélération de Coriolis Accélération apparente d un repère en rotation Plusieurs structures possibles Roue vibrante Résonateur hémisphérique Pas d élément en rotation Consommation et taille réduite Excellents pour la robotique 24

25 Centrale inertielle (ou IMU = Inertial Measurement Unit") Typiquement: accéléromètres + gyroscopes (mais les magnétomètres sont possibles aussi) Estimation de 6 DDL Position : x, y et z Orientation : lacet, tangage, roulis Intégration en temps réel des mesures Sensible aux erreurs de mesure ψ, θ, φ gyroscope ψ, θ, φ intégration pour avoir l orientation ψ, θ, φ Vitesse initiale Position initiale accéléromètre transformation repère navigation Retirer g de l accélération verticale Intégration pour avoir la vitesse Intégration pour avoir la position accélération vitesse position 25

26 Balises (Eng. beacon ou landmark ) Balises à position connue précisément Navigation basée balises: très ancienne Balises naturelles: étoiles, montagnes, soleil Balises artificielles: phares Inconvénients des balises à l intérieur Équiper l environnement (cher) Changements de l environnement Flexibilité et adaptabilité limitées GPS Capteur clé en robotique mobile à l extérieur Inutilisable à l intérieur ou à l exterieur dans des environnements fortement encombrés ("canyons urbains ) 26

27 Balises optiques passives Balises rétroréflectives passives de positions connues La distance et orientation de deux balises au moins doivent être mesurées pour déduire une position (télémètre laser) Balise rétroréflective laser 27

28 Balises actives à ultrasons Positions absolues des émetteurs connues Temps-de-vol: déduction des positions relatives Synchronisation nécessaire (via radio, IR) Émetteur à ultrasons station Émetteur à ultrasons robots équipés de récepteurs d ultrasons 28

29 GPS (Global Positioning System) Origine militaire É.U. (1 er satellite: 1978) 31 satellites en orbite à km Garantie d avoir toujours 6 satellites dans la ligne de visée d un dispositif dans le monde entier Au moins 4 satellites pour estimer la position (x, y, z) Localisation basée GPS: mesure de temps-de-vol Difficultés techniques Synchronisation Entre les satellites Entre les satellites et le récepteur GPS Mise à jour temps-réel de la position exacte des satellites Mesure précise du temps-de-vol Interférences, réflexions du signal, etc. Autres systèmes analogues: GLONASS (Russie), COMPASS (Chine), Galileo (UE) 29

30 Comparaison des orbites des satellites GPS GLONASS COMPASS Galileo Orbite Géostationnaire: km Iridium: système global de communications ISS Station spatiale internationale : en orbite à 410 km 30

31 GPS (Global Positioning System) Satellite 1 Satellite 2 Satellite 3 Usager Triangulation de satellites GPS 31

32 GPS (Global Positioning System) Synchronisation 0.3 m/ns : exactitude de position proportionnelle à la mesure du temps Horloge atomique sur chaque satellite Mise à jour temps-réel des positions de satellites Suivi par stations au sol Station principale analyse les mesures et transmets les positions courantes à chaque satellite Mesure exacte du temps-de-vol Avec 4 satellites, identification de x, y, z et d un facteur de correction de délai Δ t GPS commerciaux Exactitude en position 10 m dans le plan horizontal 45 m selon la verticale Mise à jour: entre 1 et 4 Hz GPS différentiel (DGPS) Exactitude en position ~ 10 cm 32

33 DGPS Satellites GPS Coordonnées (x,y,z ) Coordonnées (x,y,z) correction des données (post-traitement) Récepteur 1: station de base fixe Récepteur 2: véhicule en mouvement 33

34 Capteurs temps-de-vol Information de distance, élément clé Évitement d obstacle Localisation Modélisation d environnement Sonars et télémètres laser Exploitation de la vitesse de propagation de l onde. Pour une onde harmonique: v = λ f = λ T avec v : vitesse de propagation de l onde f, T : fréquence et période de l onde λ : longueur d onde d = vt/2 : distance parcourue : temps-de-vol t 34

35 Capteurs temps-de-vol Caractéristiques Vitesse du son : 0.3 m/ms (c est-à-dire, 300 m/s) Sonar : 3 m 10 ms Vitesse de la lumière : 0.3 m/ns (c est-à-dire, km/s) Télémètre laser : 3 m 10 ns Besoin d électronique très rapide Télémètres lasers beaucoup plus chers et difficiles à concevoir La qualité dépend de: Inexactitudes dans la mesure du temps-de-vol Angle d ouverture du rayon transmis (pour les sonars) Interaction avec la cible (surface, réflexions spéculaires/diffuses) Variation de la vitesse propagation (son suivant le milieu) Vitesses du robot mobile et de la cible (surtout si différentes) 35

36 Sonar Principe de fonctionnement du sonar Carte électronique Émetteur Récepteur Chirp Paquet d onde initiale Écho Objet Onde d écho Parallex PING 36

37 Sonar Emet un paquet d ondes d ultrasons Distance de l objet faisant écho : R d = 1 2 vt E Vitesse du son : temps-de-vol v = γ RT p avec γ : index adiabatique (1.402 pour l air) R : constante de gaz ( J kg -1 K -1 pour l air) T p : température en Kelvin 37

38 38 Sonar Fréquences typiques : khz Génération de l onde sonore Piézo-transducteur Émetteur et récepteur séparés ou non Le rayon sonore se propage dans un cône Angles d ouverture entre 20 et 70 Portée: m cône de mesure Distribution d intensité non uniforme 38

39 39 Sonar Problèmes: Certaines surfaces absorbant le son Surface loin d être perpendiculaire à la direction du son: réflexion spéculaire! ok porte robot Matériau poreux?! Matériau dur fenêtre 39