Stabilisation en lacet d'un micro-robot aérien par la vision

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1 Stilistion en lcet d'un micro-root érien pr l vision Mots Clé : Vision ctive, cpteur optique, microlyge, micro-drones, fixtion, poursuite Résumé Ce trvil trite de l conception et de l rélistion d'un cpteur visuel qulifié de "neuromimétique" cr les principes sur lesquels il repose sont directement inspirés du vivnt. Nous nous intéressons à reproduire en hrdwre certins principes sensori-moteurs présents à ord des nimux. Cette démrche présente un doule intérêt : d'une prt elle conduit u design de cpteurs originux dont on n'urit ps nécessirement eu l'idée utrement, d'utre prt elle permet de vlider un principe iologique et d'en montrer les limites. Nous vons ordé le prolème de l "stilistion pr l vision" en concevnt un cpteur ppelé (Opticl Scnner for the Control of Autonomous Roots). Le principe nouveu sur lequel repose ce cpteur visuel est l mesure de l vitesse de défilement d'un contrste pr des photorécepteurs déclés sptilement, uxquels on impose un micro-lyge périodique s inspirnt d une récente découverte fite sur l rétine de l mouche en vol. Nous présentons une ppliction de ce type de cpteur à un mini-root érien, uquel il confère deux comportements visuo-moteurs de grnd intérêt : l stilistion en lcet et l poursuite fine d une cile élémentire Stéphne VIOLLET et Nicols FRANCESCHINI Equipe iorootique UMR Mouvement et Perception, CNRS/Univ. de l Méditerrnée, 3, chemin Joseph Aiguier 34 Mrseille Cedex e-mil: [viollet ou frnceschini]@lps.univ-mrs.fr en concevnt un cpteur, ppelé (Opticl Scnner for the Control of Autonomous Roots). Le principe nouveu sur lequel repose ce cpteur est l mesure de l vitesse de défilement d'un contrste pr deux photodiodes déclées sptilement, uxquelles on impose un microlyge périodique inspiré de récentes oservtions fite sur l rétine de l mouche en vol []. Qunt à l mesure du mouvement reltif de l'environnement visuel, elle se fit pr un circuit DEM (Détecteur Elémentire de Mouvement) dont le principe est inspiré des neurones détecteurs de mouvement de l mouche []. Des simultions [3] ont montré que si les photodiodes lyent l'environnement selon un mouvement de rottion pure à vitesse vrile, lors le DEM couplé ux deux photodiodes délivre un signl qui dépend de l position ngulire du ord contrsté présent dns le chmp visuel du cpteur. Une description complète du cpteur est fite u chpitre. L crctéristique sttique entrée-sortie du cpteur est donnée dns le chpitre 3. Enfin, dns le chpitre 4, une ppliction micro-rootique de ce type de cpteur est présentée, qui permet de mettre en oeuvre deux comportements visuo-moteurs de grnd intérêt: l stilistion en lcet et l poursuite fine de cile pr un mini root érien. I. INTRODUCTION Ce trvil trite de l conception et de l rélistion d'un nouveu type de cpteur visuel qulifié de "neuromimétique" cr les principes sur lesquels il repose sont directement inspirés du vivnt. Nous nous intéressons à reproduire en hrdwre certins principes sensori-moteurs doptés pr le système nerveux des nimux. Cette démrche présente un doule intérêt : d'une prt elle conduit u design de cpteurs originux dont on n'urit ps nécessirement eu l'idée utrement, d'utre prt elle permet de vlider un principe iologique et d'en montrer les limites. L'étude s'ppuie sur l théorie, l simultion et l rélistion de circuits électroniques et optroniques. Ces circuits sont ensuite emrqués à ord d'un démonstrteur érien de très petite tille (<dm 3 ) qui devient cple de se stiliser utomtiquement dns un environnement contrsté. Notre démrche s'ppuie sur des études menées u lortoire sur un micro-éronef nturel, l mouche, dont les multiples prouesses sont ien connues mis qu'ucun microroot n' encore jmis églé. Dns un premier temps, nous vons ordé le prolème de l "stilistion pr l vision" II. DESCRIPTION DU CAPTEUR Un élément essentiel du cpteur visuel décrit ici est le Détecteur Elémentire de Mouvement (DEM), dont le principe électronique [4] fut dérivé de trvux électrophysiologiques rélisés u lortoire chez l mouche []. Ce circuit sert à mesurer l vitesse de défilement d'un ord contrsté. Pour celà, il délivre une impulsion dont l'mplitude est une fonction monotone décroissnte de l'intervlle de temps t séprnt les détections d'un même ord contrsté pr deux photorécepteurs djcents. Plus ce retrd t est file (c'est-à-dire plus l vitesse est élevée) plus l'mplitude de l'impulsion délivrée pr le DEM est grnde. Un loqueur d'ordre plcé en sortie du DEM permet d'otenir une tension continue. Dns ce chpitre, nous llons décrire l mise en œuvre d'un mouvement de micro-lyge rétinien périodique (Hz) sous l forme d'un mouvement de rottion pure dont l'mplitude ( ) est du même ordre de grndeur que l'ngle interrécepteur ϕ (égl à 4 ). Nous llons envisger le cs d'un lyge dont l vitesse dépend du temps, et tel que l vitesse ngulire reltive Ω(t) de défilement du contrste

2 Photodiodes Consigne (V) DEM Moteur cc Commnde moteur (V) V o Asservissement de position pr cpteur mgnétorésistif Consigne Position de l'œil ( ) Figure. Schém du cpteur visuel à lyge positionné devnt un ojet contrsté, pouvnt être situé entre,m et,5m. Temps (s) Figure. Signux réels provennt de l'sservissement de position: () consigne, () commnde moteur, (c) orienttion de l'œil (photodiodeslentille) mesurée pr le cpteur mgnétorésistif. c décroît en fonction du temps. C'est cette propriété qui, comme nous llons le voir, v nous permettre d'otenir un retrd t vrint vec l position ngulire du contrste. Inspirés pr des mesures fites chez l mouche [], nous vons choisi de fire vrier Ω(t) selon une loi en exponentielle décroissnte durnt une demi période du cycle. Comme l vitesse de lyge vrie, le ord contrsté est vu à une vitesse différente (correspondnt donc à un retrd t différent) selon s position dns le chmp visuel du cpteur. Pr exemple, le ord contrsté ser vu à une vitesse reltivement rpide s'il est plcé à l'extrémité guche du cpteur, et à une vitesse eucoup plus file s'il est plcé à l'utre extrémité. Ceci se trduit en sortie du DEM pr un signl dont l'mplitude vrie vec l position ngulire du contrste plcé dns le chmp visuel. En résumé, nous disposons d'un cpteur ynt un chmp de vision très réduit (environ ) mis cple de générer un signl continu vrint de mnière qusi-linéire vec l position ngulire d'un ord contrsté plcé dns son chmp visuel. Le cpteur est constitué d'une lentille pln-convexe (dimètre 5mm) qui foclise l lumière sur les photodiodes plcées près de son pln focl. L'ensemle photodiodes lentille rélise une sorte d'œil cylindrique monté sur l'xe d'un micro-moteur à xe verticl (figure ). C'est ce moteur qui imprime à l'œil son microlyge à Hz grâce à un sservissement de position sé sur un cpteur mgnetorésistif. Le lyge imposé se décompose en deux phses : - l phse (figure c) de lyge à vitesse vrile, pendnt lquelle le DEM détecte des trnsitions de contrste lnc-noir (OFF) et délivre un signl (en Volts) dépendnt de l position ngulire du contrste vu pr le cpteur. - l phse (figure c) dite "de retour", effectuée à vitesse constnte et durnt lquelle ucune mesure n'est fite, puisqu'elle correspond u sens non préférentiel du DEM. L'étpe suivnte consisté à otenir les crctéristiques d' et à quntifier ses gmmes de mesure en termes de distnce le séprnt de l'ojet, de niveu de contrste et de lrgeur de l'ojet. Pour otenir toutes ces crctéristiques, nous vons conçu un nc de test spécifique permettnt de tourner finement le cpteur (pr micro-ps de, ) utour de son xe verticl devnt un pnorm simple constitué d'un ord contrsté verticl (lnc/gris) ou d'une fine rre verticle sur fond lnc. III. CARACTÉRISTIQUES STATIQUES Le cpteur rélisé permet de détecter l présence d'ojets jusqu'à 5cm. L figure 3 montre le signl de sortie V o en fonction de l'orienttion ϕ c du cpteur pr rpport à un ord contrsté plcé à 5cm ou une fine rre (lrgeur cm) plcée à cm. On voit que l fonction de trnsfert de ce cpteur visuel (scnner DEM) se lisse pproximer pr un gin K S V/ u voisinge de l position ϕ c =. Les résultts expérimentux de l figure 3 révèlent une reltive invrince de l réponse du cpteur u contrste de l'ojet (m=85%, 4%, %) Le contrste de vleur 85% correspond à celui mesuré pour un ord noir sur fond lnc. Ces résultts montrent ussi une qusi-invrince de l crctéristique sttique d' pr rpport à l distnce de l'ojet (gmme de,5m à,5m) [5]. Eglement le cpteur répond de mnière très semlle à un ord contrsté (échelon sptil) et à une fine rre (créneu sptil). Enfin, le cpteur présente deux utres propriétés qui sont rrement rencontrées dns un système de vision rtificielle: une cuité ien plus fine que l'ngle ϕ séprnt les xes

3 3 4 4 Sortie du cpteur Vo (V) D=5cm Fron Contrste m=, m=,4 m=, D=cm Brre ϕ c ( ) Figure 3. Signl de sortie V o du cpteur à lyge en fonction de son orienttion ϕ c, du contrste m de l'ojet et s distnce D. Les 3 coures () correspondent à l vision d'un ord ("échelon sptil") présenté sur un fond lnc. L coure correspond à l vision d'une rre noire de lrgeur cm ("créneu sptil") présentée églement sur fond lnc. ϕ c ( ) visuels des deux photorécepteurs. En effet, le cpteur régit à une rottion de, pr rpport à s cile (figure 3), ce qui correspond à,5% de l'ngle ϕ. un minimum visiile ien plus fin que l'ngle ϕ. En effet, le cpteur détecte sns prolème une rre noire de lrgeur cm à une distnce de cm, lors qu'elle ne soustend qu'un ngle de,8, soit 7,8% de ϕ. Toutes ces propriétés rendent ce "cpteur visuel à lyge" digne d'être incorporé dns une oucle visuomotrice. En effet, le gin K s vrint peu vec l nture de l'ojet, son contrste et s distnce, nous énéficions d'une roustesse de mesure ynt pour effet de simplifier grndement le régulteur de l oucle visuo-motrice. Le chpitre suivnt montre que le cpteur utilisé à ord d'un root de petite tille lui permet de se stiliser dns l'espce et de fixer des ciles mouvntes. IV. APPLICATION AU CONTRÔLE VISUO-MOTEUR D'UN MINI- ROBOT AÉRIEN L plteforme de test que nous vons construite pour illustrer une ppliction possile du cpteur est montrée dns l figure 4. Cette plteforme est en fit un imoteur à hélices suspendu u plfond pr un micro-fil de nylon de longueur m. Cette configurtion permet d'otenir 3 degrés de lierté ( trnsltions dns le pln horizontl et une rottion utour de l'xe de lcet). Les étts du système qui sont commndés sont l vitesse ngulire Ω r du root insi que son orienttion ngulire θ r pr rpport à son xe de lcet. Ces deux étts sont commndés grâce à une ction différentielle sur l vitesse des hélices. Le root est pilotle mnuellement pr rdiocommnde et l'on constte qu'il est très difficile de l'mener mnuellement à grder un cp constnt. De plus, le root que nous vons conçu étnt de petite tille, ses files constntes de temps mécniques (liées à s file inertie) le rendent prticulièrement sensile ux perturtions érodynmiques. Une ssistnce u pilotge pr l'intermédiire d'un ouclge en position s'vère donc incontournle. Un ouclge sé sur une mesure de cp pr comps mgnétique peut poser de sérieux prolèmes 5 cm 5 Cile Root Orienttion ( ) Temps (s) Figure 4. () Mini-root érien équippé du cpteur visuel comme prtie intégrnte d'une oucle visuo-motrice servnt à stiliser l'engin utour de son xe de lcet. Le root est complètement utonome tnt u niveu du tritement du signl (toute l'électronique nécessire est emrquée) qu'u niveu énergétique (utilistion d'ccus LiMnO, 9V, 8mAh). () Poursuite d'une cile contrstée (échelon sptil dont le contrste est de 4%). L cile se déplce à 3cm du root, perpendiculirement à son xe de visée et selon une loi sinusoïdle de fréquence,5 Hz. Dns cette configurtion, l vitesse de trnsltion mximle de l cile (tteinte à l position ) est égle à 5cm/s. Msse totle du root: g ccus = 6g, envergure: 4cm

4 4 si le root est plcé dns un environnement clos soumis à diverses perturtions mgnétiques (moteurs, ojets métlliques, ryonnement d'un écrn ) [6]. Une utre méthode consistnt à intégrer l sortie d'un gyromètre pour otenir une position ngulire peut introduire une dérive notoire et demnde donc un tritement complexe de compenstion de dérive [7]. Nous vons choisi u contrire de mettre en œuvre une oucle visuo-motrice de position s'ppuynt sur le cpteur. Nous vons monté le cpteur à ord du root décrit précédemment (l figure 4 montre l'ensemle rootcpteur). Le cpteur visuel étnt solidire de l plteforme, s sortie représente l'orienttion θ r du mini root pr rpport à son environnement visuel (ord contrsté). L figure 5 résume l oucle visuomotrice que nous vons mise en œuvre à ord du root. L oucle de stilistion en position se décompose en fit en deux oucles élémentires: une oucle visuelle (externe) servnt à contrôler l position ngulire de l'ppreil grâce u signl V o fourni pr une oucle inertielle (interne) sée sur un microgyromètre et contriunt à méliorer l dynmique de l'sservissement grâce à une ction "vnce de phse" similire à celle d'un ouclge tchymétrique. Configuré selon le schém de l figure 5, l'ppreil se révèle cple de "voir" et de fixer visuellement une cile contrstée plcée à 4cm devnt lui sns ucune défillnce durnt les 8 minutes de l'essi [5]. De plus, si cette cile vient à se déplcer, le root pilote utomtiquement ses hélices de mnière à l suivre du regrd même lorsqu'elle tteint une vitesse linéire d'environ 5cm/s à l distnce de 3cm, ce qui correspond à une vitesse ngulire de /s (figure 4) [5]. V. CONCLUSION Un nouveu cpteur visuel été présenté dns cet rticle. Ce cpteur permet de mesurer l position ngulire d'un ojet contrsté (ord ou rre) plcé dns son chmp visuel et présente plusieurs crctéristiques ussi intéressntes qu'inttendues pour un œil rtificiel : - il est pssif et n' esoin d'ucune émission de quelque ryonnement que ce soit - il fournit un signl de sortie reltivement invrint pr rpport à l distnce de l'ojet - il fournit un signl de sortie reltivement invrint pr rpport u contrste - il loclise un ojet contrsté vec une précision 4 fois meilleure que celle imposée pr s résolution sttique (espcement entre deux pixels). C'est dire qu'il possède une hypercuité. - il peut détecter une ligne 4 fois plus fine que l'espcement entre deux pixels Les deux dernières propriétés jettent un éclirge nouveu sur les phénomènes de micro-lyge rétinien de l'homme et des nimux et ouvrent de vstes chmps de réflexions et d'pplictions. Dns le contexte de nos recherches sur le pilotge visuel de micro-éronefs, nous vons inséré ce nouveu cpteur dns une oucle visuomotrice et montré qu'il permettit de stiliser un petit root érien (msse: grmmesccus) utour de son xe de lcet [5]. Compré à un ouclge inertiel clssique utilisnt un gyroscope pour remonter à l position ngulire du procédé, un ouclge visuel sé sur le cpteur permet de réliser une stilistion file et sns dérive. On remrquer que le cpteur optique décrit ici, ien que pssif, fit ppel à un processus de vision ctive puisqu'il exploite un mouvement déliéré de l'œil (micro-lyge) et que ce mouvement même est l clef de s vision. On remrquer ussi qu' utilise une mesure de vitesse ngulire pour remonter de mnière file et sns dérive à une position ngulire. REMERCIEMENTS Nous remercions M. Boyron pour son expertise technique et son ide précieuse tout u long de ce trvil. Ces recherches ont été rélisées vec l ide du CNRS (SDV, SPI, STIC, Cognisciences, Microsystèmes et Microrootique) et de l CEE (IST/FET). E(p) K - θ r (p) [ ] Cpteur visuel U m (p) W(p) C(p) U(p) G(p) p Root Micro-gyromètre Ω s (p) [V] Ω r (p) [ /s] H(s) Environment visuel - V o (p) ZOH K v ϕ s (p) [ ] V ref Figure 5. Schém loc des différentes oucles sensori-motrices impliquées dns l stilistion de l'ppreil utour de son xe de lcet. Les grndeurs commndées sont l vitesse ngulire Ω r du root et son orienttion θ r. Il est possile de commnder mnuellement l'ppreil grâce à U m.

5 5 Références [] N. Frnceschini, nd R. Chgneux (997) "Repetitive scnning in the fly compound eye" in: Proc Göttingen Neuroiology Conf, eds. Wässle nd Elsner. [] N. Frnceschini (985) "Erly processing of colour nd motion in mosic visul system" in Neuroscience Reserch, Elsevier, Vol., pp [3] S. Viollet, nd N. Frnceschini (999) "Biologiclly-inspired visul scnning sensor for stiliztion nd trcking" in Proc IEEE IROS'99, Kyongju, Kore, pp [4] C. Blnes (986) "Appreil Visuel élémentire pour l nvigtion "à vue" d'un root moile utonome". DEA de Neurosciences, Université d'aix-mrseille II. [5] S. Viollet, nd N. Frnceschini (999) "Visul servo system sed on iologiclly-inspired scnning sensor" in Sensor Fusion nd decentrlized Control in Rootic Systems II, SPIE Vol. 3839, Bellinghm, USA, pp [6] L. Ojed, nd J. Borenstein () "Experimentl results with the KVH C- fluxgte compss in moile roots", in Proc of Conference on Rootics nd Applictions, Hwï, USA. [7] B. Brshn, nd H. F. Durrnt-Whyte (995) "Inertil nvigtion systems for moile roots" in IEEE Trnsctions on Rootics nd Automtion, Vol., No 3, pp