Conception d'un capteur sonore pour la localisation de source en robotique mobile

Design of an acoustic sensor sound source localization in mobile robotics

• Auteur / Autrice : Sylvain Argentieri
• Direction : Patrick Danès, Philippe Souères
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Systèmes automatiques
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électroacoustique

Robots mobiles

Capteurs (technologie)

Mots clés libres

Formation de voie

Optimisation convexe

Localisation de source

Robotique mobile

Beamforming

Convex optimisation

Sound source localization

Mobile robotics

Résumé

Le système auditif de l'homme fournit de nombreuses informations sur son environnement sonore. Nous sommes par exemple capables de localiser précisément l'origine d'un son et d'en interpréter sa signification, si bien qu'il parait aujourd'hui extrêmement difficile de se passer de ces informations sonores dans un monde dynamique et imprévisible. Pourtant, la robotique mobile n'a que très peu intégré cette modalité auditive, bien qu'elle apparaisse indispensable pour compléter les informations délivrées par les autres capteurs extéroceptifs tels que les caméras, les télémètres lasers ou les détecteurs ultra-sonores. Nous présentons dans cette thèse la conception d'un système auditif artificiel, composé de 8 microphones omnidirectionnels et d'une carte d'acquisition/traitement, pour la localisation de source sonore. Cette problématique a déjà été très largement traitée dans la littérature issue du Traitement du Signal et de l'Acoustique. Cependant, des contraintes inédites d'embarquabilité et de temps réel imposées par la robotique limitent l'applicabilité de ces méthodes pour des signaux large bande tels que la voix. Après une étude bibliographique approfondie sur les solutions de localisation déjà proposées en robotique, nous envisageons la définition de formations de voie invariantes en fréquence. Celles-ci sont synthétisées selon une nouvelle méthode d'optimisation convexe basée sur la représentation modale des diagrammes de directivité. Cette solution permet d'améliorer sensiblement la résolution des basses fréquences, aussi bien en champ proche qu'en champ lointain, malgré l'utilisation d'une antenne de microphones de petite taille. Nous exploitons ensuite ces nouvelles formations de voie optimisées pour le tracé d'une carte de puissance acoustique de l'environnement. Comparativement aux méthodes conventionnelles, la localisation s'avère plus précise et permet de traiter des signaux large bande sur la bande de fréquence 400Hz-3kHz. Nous évaluons enfin une extension récente de la méthode MUSIC dans l'espace des formations de voie pouvant être compatible avec les contraintes liées au contexte robotique.

The auditory system provides the human with many informations on its acoustic environment. For instance, we are able to precisely localize the origin of a sound and interpret its meaning, so that it would be very difficult to do without these auditory cues in our dynamic and evolving world. Yet, mobile robotics has seldom integrated this auditory modality despite its compulsoriness in order to complete the informations delivered by other exteroceptive sensors such as cameras, laser range-finders or ultrasonic detectors. This doctoral thesis deals with the design of an artificial auditory system for sound source localization, composed of an array of 8 omnidirectional microphones and an aquisition/processing board. This problematics has already been studied in Signal Processing and Acoustics. However, the unusual embeddability and real-time constraints imposed by the robotics context limit the applicability of such methods to wideband signals such as human voice. After a thorough bibiliographical study of the approaches to localization proposed in Robotics, the synthesis of frequency-invariant beamformers is envisaged. An original solution is proposed, based on convex optimization and relying on the modal representation of antenna directivity patterns. Compared to classical methods, its resolution at low frequencies is enhanced, be the source in the farfield or in the nearfield, despite the small size of the array. These optimized beamformers are then exploited so as to compute an acoustic power map of the environment. The localization turns to be more precise than with conventional approaches, and can process wideband signals in the frequency range 400Hz-3kHz. Last, a recent beamspace extension of the high-resolution MUSIC method is assessed, which could cope with the robotics constraints.