De l'abeille au robot : "la régulation du flux optique" : contrôle conjoint de vitesse et d'évitement d'obstacles latéraux pour véhicules totalement actionnés

par Julien Serres

Thèse de doctorat en Systèmes automatiques et microélectroniques

Sous la direction de Nicolas Franceschini.

Soutenue en 2008

à Montpellier 2 .


  • Résumé

    Nous avons conçu un pilote automatique, dénommé LORA (Lateral Optic flow Regulation Autopilot), qui s'inspire de la vision du mouvement des insectes ailés. Il se compose de deux régulateurs de flux optique interdépendants, chacun contrôlant un degré de liberté de translation : un régulateur de flux optique bilatéral contrôle la vitesse du robot, tandis qu'un régulateur de flux optique unilatéral lui permet d'éviter les obstacles latéraux. Des expériences de simulation montrent qu'un robot totalement actionné, équipé du seul pilote automatique LORA, franchit sans collision un corridor droit, fuselé, ou même non stationnaire. Le robot n'a besoin que d'une paire d'yeux latéraux mesurant les flux optiques droit et gauche et ne fait appel à aucun autre capteur, ni de vitesse, ni de distance. LORA est destiné à équiper un aéroglisseur miniature de 0,8 kg, doté de deux yeux élémentaires (à 2 pixels) et rendu totatement actionné par l'adjonction de deux propulseurs latéraux. Nous avons identifié tous les paramètres dynamiques de ce robot avant de les inclure dans les simulations. Ce travail constitue un premier pas vers un système de guidage agile et léger pour micro-aéronefs. La genèse du pilote automatique LORA a suivi trois étapes : LORA I, LORA II et LORA III, enrichies progressivement par l'analyse parallèle du comportement d'abeilles entraînées à pénétrer dans divers corridors pour y butiner un nectar artificiel. L'enregistrement vidéo à haute résolution et l'analyse statistique de trajectoires d'abeilles dans divers environnements ont permis de mettre à jour les ressorts du système visuo-moteur sous-jacent. Ainsi notre travail remet en question l'hypothèse d'« équilibrage des flux optiques latéraux », proposée voici 20 ans pour expliquer « la réaction de centrage » de l'abeille dans un corridor. Bien que ce comportement ait inspiré maints roboticiens dans le monde, il apparaît en fait comme un cas particulier d'un comportement beaucoup plus général de l'insecte : le suivi de paroi. Le va-et-vient permanent biologie-robotique qui a animé notre travail offre aujourd'hui des retombées dans les deux camps. Il permet de comprendre comment un insecte de 100 mg peut naviguer sans SONAR, ni RADAR, ni LIDAR, ni GPS, et offre aux véhicules autonomes la possibilité de se comporter pareillement, sans avoir à mesurer ni vitesse ni distance

  • Titre traduit

    From bee to robot : "optic flow regulation" : joint speed control and lateral obstacle avoidance for fully actuated vehicles


  • Résumé

    We developed an autopilot, called LORA (Lateral Optic flow Regulation Autopilot), which is inspired by motion vision in flying insects. It incorporates two interdependent optic flow regulators, each of which controls one translational degree of freedom: a bilateral optic flow regulator controls the robot's speed, while a unilateral optic flow regulator makes the robot avoid lateral obstacles. Simulation experiments show that a fully actuated vehicle, equipped solely with the LORA autopilot, is able to cross straight, tapered or even non stationary corridors. The robot needs only a pair of lateral eyes that measure the right and left optic flows, and requires no speed or range sensors. This autopilot is meant to equip a miniature seeing hovercraft (0. 8 kg) equipped with two elementary (2-pixel) eyes and rendered fully actuated by two lateral thrusters. We identified experimentally all the robot's dynamical parameters and incorporated them into the simulation. This work is a first step toward a deft, lightweight and power-lean guidance system for micro-air vehicles (MAVs). Designing the autopilot involved three steps: LORA I, LORA II and LORA III that were progressively informed by the results of behavioural experiments carried out on bees trained to enter various corridors en route to an artificial nectar source. High resolution video recording and statistical analyses of the bees' trajectories in various environments allowed the underlying visuomotor control system to be deciphered. We challenge the “optic flow balance” hypothesis that was put forward 20 years ago to explain the bee's “centering reaction” in a corridor. Even though this behaviour has inspired the design of many robots eversince, it now appears as a degenerate case of the insect's ''wall following behaviour''. Our work involved constant plying between Biology to Robotics and provides spin-offs in both fields. It allows one to better understand how a 100mg insect can navigate without using any SONAR, RADAR, LIDAR or GPS, while offering autonomous vehicles an opportunity to behave the same way, without any needs to measure speed and range

Autre version

Cette thèse a donné lieu à une publication en 2011 par [CCSD] à Villeurbanne

De l'abeille au robot : "la régulation du flux optique" : contrôle conjoint de vitesse et d'évitement d'obstacles latéraux pour véhicules totalement actionnés

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe sous forme papier

Informations

  • Détails : 1 vol. (219 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 203-218. Annexes

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Bibliothèque interuniversitaire. Section Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : TS 2008.MON-76
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.