Rapport de synthèse Projet Drones

Transcription

1 Rapport de synthèse Projet Drones Nicolas Anglade, Maxence Ho, Camille Schneider Tuteur projet : M. Laurent Ciarletta 1

2 Table des matières Introduction I. Notre rôle au sein du projet I.1. Appréciation des enjeux du projet I.2. Travail accompli II. Un projet innovant Conclusion 2

3 Introduction Si les drones, véhicules robots autonomes aériens/terrestres, sont actuellement encore malheureusement connus du grand public essentiellement pour leurs applications militaires (frappes aériennes en Afghanistan et dans tous les récents conflits impliquant les États Unis), ces derniers émergent dans notre quotidien et proposent un large panel d applications civiles : drones aspirateurs, de photographie, de surveillance de sites En témoigne la dernière opération de publicité d Amazon, pour laquelle la firme américaine prétendait lancer à court terme un système de livraison de proximité par drone, jouant du caractère innovant que présentent les drones dans l imaginaire collectif contemporain. L usage de drones à applications civiles s est à ce point développé que la législation a du être adaptée (mai 2012 en France) pour prendre en compte leur usage. Notre projet s articule plus spécifiquement autour des drones aériens. L idée d utiliser des avions miniatures sans pilote date de la première guerre mondiale. L usage se voulait alors militaire et le but était d envoyer des torpilles aériennes qui auraient été guidées par télégraphie sans fil. Depuis, la recherche a continué sous diverses formes, et la plupart des drones sont maintenant munis d une kyrielle de capteurs permettant d augmenter leurs fonctionnalités et leur efficacité. Notre projet s inscrit donc dans la continuité du développement des drones à usage civil. Un certain nombre de recherches sont ainsi encouragées au travers de concours centrés sur les drones et visant à résoudre des problèmes d intérêt commun ; l émulation que ces derniers engendrent constituant une formidable source d innovation. Nous participons donc, dans cette optique, au Search & Rescue Challenge, concours international se déroulant en Australie, et dont le but est précisément de trouver un mannequin portant une veste de secours jaune fluo et un jean dans un périmètre délimité, puis de déposer le plus près possible du mannequin sans le toucher une bouteille d eau, le tout en temps limité. De manière plus générale, l objectif est de localiser un ou plusieurs personnes munies de gilets de secours dans un environnement hostile (avalanche, désert, zone inondée, ), puis de délivrer un paquet à ces personnes (eau, rations de survie, médicaments, couverture de survie, ). Le but final est d automatiser toutes les étapes, de la recherche à la livraison, sans qu aucun humain n intervienne dans le processus (contrairement à ce qui se fait actuellement, avec des pilotes d hélicoptère par exemple). 3

4 I. Notre rôle au sein du projet Un certain nombre d intervenants participent à ce projet : Notre groupe (3 élèves du département I&S de l école des Mines de Nancy) 2 élèves en deuxième année à Télécom Nancy Des chercheurs du Loria (laboratoire lorrain de recherche en informatique et applications) La répartition des tâches sur le projet tient donc compte de cette réalité. Nous nous occupons ainsi de la partie informatique du projet avec les élèves de Télécom Nancy, c est à dire la création de l algorithme qui permettra au drone de géolocaliser le gilet jaune, et de déposer le pack de médicament devant lui. Par conséquent, nous ne gérons pas la construction du drone, ni la partie administrative associée concours. I.1. Appréciation des enjeux du projet Le premier enjeu notable consiste en la modélisation des phénomènes. En effet, avant d expérimenter nos algorithmes sur le drone réel, actuellement en cours de construction par les chercheurs du Loria, il sera d abord nécessaire de les tester sur un logiciel de simulation. Cela implique que nous soyons capables de modéliser le drone dans un environnement similaire au bush (paysage typique d Australie) sur lequel se passera le concours (en incluant des arbustes), simuler les interactions physiques, notamment en terme de vision (ainsi un arbuste peut entraver le champ de vision de la caméra du drone). Pour cela, nous utilisons trois logiciels : ROS (Robot Operating System), Gazebo 3D et RviZ. Les deux derniers sont des moteurs qui opèrent un rendu graphique prenant en compte des lois de la physique. Le premier est un logiciel de contrôle de robots professionnel, mais néanmoins open source. ROS permet non seulement de lancer des simulations, mais aussi de contrôler les robots dans le monde réel. ROS sera in fine intégré sur le drone utilisé pour le concours, de même que les algorithmes que nous auront développés sous celui ci. 4

5 Au niveau de l'algorithme, deux défis apparaissent. Tout d abord la création d un algorithme de détection de couleurs efficace, qui puisse reconnaître un gilet de couleur jaune à partir d un photo haute résolution. Cette problématique comporte plusieurs aspects de complexité variable. En effet, en fonction de l altitude du drone lors de la prise de photo, ainsi que des conditions météorologiques, les couleurs reflétées sur un vêtement changent de luminosité, de telle sorte qu un gillet jaune sera vu presque blanc à altitude élevée. De plus la puissance de calcul disponible, compte tenu du fait que tous les calculs seront réalisés sur le drone de manière embarquée, est très réduite. Afin de faire une analyse fluide des images en un temps raisonnable, il nous est alors indispensable d optimiser l algorithme d analyse d image. Le deuxième défi consiste à prévoir une trajectoire et une stratégie pour permettre au drone de parcourir le moins de distance possible tout en ayant la plus grande surface visible possible, et également de le faire approcher de la cible, une fois que celle ci a été détectée. Ainsi nous pourrons compenser le manque de rapidité et d autonomie (en terme de batterie) de notre drone par rapport aux drones des autres concurrents, qui sont souvent dotés d ailes plutôt que de rotors. De manière générale, puisque nous travaillons sur un système embarqué, beaucoup de contraintes intrinsèques à ce type de produits apparaissent. Il faut par ainsi tenter d équilibrer l autonomie de la batterie, à la contrainte de poids, chose délicate s il en est. Les même limitations s appliquent sur l appareil photo embarqué, dont la qualité des images passe par un poids élevé. Ces considérations, qui ne concernent pas directement puisque nous ne nous chargeons pas de construire le drone final, ont nonobstant un impact sur notre travail que nous ne pouvons ignorer. La qualité de la photo influe par exemple sur le logiciel de reconnaissance de couleurs et la précision qu il doit avoir. 5

6 I.2. Travail accompli La première étape a été la prise de connaissance des règles du concours, du terrain, et la mise en place d une première stratégie en concertation avec les membres du Loria. Piste de décollage du concours en Australie La deuxième étape a été de nous familiariser avec ROS, logiciel pour le moins complexe, ainsi que de télécharger le modèle du drone quadrotor déjà implémenté par un chercheur allemand. Ensuite nous avons implémenté trois algorithmes pour l instant indépendants, mais qui feront chacun partie de l algorithme final. Le premier consiste en l algorithme d analyse d image, qui reste encore à améliorer. Le deuxième est une fonctionnalité implémentée sur ROS et qui permet de mettre en mouvement les moteurs du drone (fonction qui n existait pas dans la modélisation initiale du drone). Enfin, le troisième algorithme permet de définir une partie navigation sur le robot, c est à dire de lui donner seulement un waypoint. Afin de pouvoir tester notre travail, nous avons également modélisé le terrain où se déroulera le concours, que nous aussi avons doté de l image des sols, afin de l intégrer dans le logiciel de simulation. 6

7 II. Un projet innovant L aspect innovant du projet tient dans un premier temps à la nature même de ce dernier, puisque la programmation de drone reste encore un domaine d initiés, même au sein de la communauté informaticienne. En effet; nous avons pu remarquer qu il n existait que rarement des solutions pré faites et standards pour des problèmes récurrents sur des fonctionnalités essentielles. Par exemple, dans la simulation de drone sous ROS, il n y avait pas à la base d outil de navigation permettant en donnant un point d arrivée de déplacer le drone jusqu à ce point, nous avons donc du développer cette fonctionnalité en partant de rien. Travailler sur un drone, c est aussi travailler sur une myriade de systèmes embarqués, tous transmettant des données. Cette modularité est particulièrement intéressante puisqu elle permet de pouvoir développer à peu près n importe quelle fonctionnalité, sans se retrouver limité par l architecture du drone. Quant au concours, notre stratégie vise à se démarquer des autres concurrents en développant une solution quasiment autonome. En effet, notre stratégie est de faire tous les calculs directement sur le drone est de laisser la navigation à un algorithme là où les autres concurrents utilisent en général des ailes volantes (modèles d avion) beaucoup plus rapides; mais nécessitant une validation humaine. Enfin, et cela dépasse probablement légèrement le cadre de ce projet, nous avons eut l occasion d être intervenants pour le TedX Mines Nancy, en proposant un stand de vol télécommandé, afin d essayer de faire partager notre connaissance et notre enthousiasme concernant les drones. 7

8 Conclusion Ce projet est pour nous l occasion d acquérir de l expérience sur plusieurs plans. Tout d abord, nous nous sommes plongés, en total néophytes, dans l utilisation d un système complexe qu est ROS. Les problèmes rencontrés n ont pas forcément de solution évidente ou unique; travailler dessus est donc d autant plus exigent et intéressant qu un cas d école. Notre bagage informatique s en trouve au final d autant plus renforcé. Nous expérimentons également le travail en équipe, et ce de manière différente que via le monde associatif étudiant. Effectivement les différentes parties avec lesquelles nous avons travaillé n étaient pas sur place mais à distance. Nous avons donc pu assister à des changements de stratégie en cours de route et autres aléas, qui ont apporté du savoir faire aux futurs managers que nous sommes. Enfin, prendre part à ce projet nous aura également donné l opportunité de travailler sur un sujet de recherche; quelque chose dont on voit l utilité à terme, sauver des vies, mais qui reste encore clairement à développer.. Pour toutes ces raisons, nous tenons à remercier M. Laurent Ciarletta, notre tuteur de projet, qui nous a soutenus et encouragés tout au long du projet. Nous remercions également les chercheurs du Loria impliqués dans le projet, de même que les élèves de Télécom Nancy avec lesquels nous avons eu le plaisir de travailler, Mickaël Walter et Alexandre Weiler. 8