Un robot volant inspiré des insectes : De la mesure du flux optique aux stratégies de guidage visuel pour un micro hélicoptère

Flying robot inspired by insects : From optic flow sensing to visually guided strategies to control a Micro Aerial Vehicle

• Auteur / Autrice : Fabien Expert
• Direction : Franck Ruffier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences du mouvement humain
• Date : Soutenance le 21/10/2013
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences du Mouvement Humain (Marseille ; 2004-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Fraisse
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Ly, Francois Chaumette, Frederic Boyer, Gilles Montagne
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Mandyam Srinivasan, Philippe Bonnifait

Mots clés

Mots clés contrôlés

Robotique

Vitesse

Abeilles

Mots clés libres

Biorobotique

Bioinspiration

Insectes volants

Flux optique

Capteur de mouvements

Automatique

Biorobotics

Biomimetism

Flying insects

Optic flow

Motion sensor

Automatics

Résumé

Dans ce travail, nous avons premièrement développé et caractérisé des capteurs de flux optique robustes aux changements de conditions lumineuses inspirés par le système visuel de la mouche et mesurant la vitesse angulaire à l'aide de l'algorithme appelé ''time of travel''. En particulier, nous avons comparé les performances de capteurs mesurant visuellement la vitesse angulaire en intérieur et en extérieur. Les résultats de nos capteurs bio-inspirés ont aussi été comparés avec des capteurs de souris optique. Enfin, une nouvelle implémentation de l'algorithme ''time of travel'' a été proposée réduisant la charge de calcul de l'unité de traitement.Dans le cadre du projet européen CurvACE (Curved Artificial Compound Eye), nous avons aussi participé au développement du premier oeil composé courbé artificiel capable de mesurer le flux optique à haute vitesse sur une large gamme de lumière ambiante. En particulier, nous avons caractérisé ce capteur et montré sa capacité à mesurer le flux optique à l'aide de plusieurs algorithmes.Finalement, nous avons aussi développé un robot aérien miniature attaché appelé BeeRotor équipé de capteurs et de stratégies de vol imitant les insectes volants et se déplaçant de manière autonome dans un tunnel contrasté. Ce robot peut expliquer comment les abeilles contrôlent leur vitesse et leur position à l'aide du flux optique, tout en démontrant que des solutions alternatives existent aux systèmes couramment utilisés en robotique. Basé seulement sur des boucles de contrôle réagissant à l'environnement, cet hélicoptère a démontré sa capacité à voler de manière autonome dans un environnement complexe et mobile.

In this thesis, we first developed and characterized optic flow sensors robust to illuminance changes inspired by the visual system of the fly and computing the angular speed thanks to the ''time of travel'' scheme. In particular, we have compared the performances of sensors processing the visual angular speed based on a standard retina or an aVLSI retina composed of pixels automatically adapting to the background illuminance in indoor and outdoor environments. The results of such bio-inspired sensors have also been compared with optic mouse sensors which are used nowadays on Micro Aerial Vehicles to process the optic flow but only in outdoor environments. Finally, a new implementation of the ''time of travel'' scheme has been proposed reducing the computational load of the processing unit.In the framework of the European project CurvACE, we also participated to the design and development of the first curved artificial compound eye including fast motion detection in a very large range of illuminations. In particular, we characterized such sensor showing its ability to extract optic flow using different algorithms.Finally, we also developed a tethered miniature aerial robot equipped with sensors and control strategies mimicking flying insects navigating in a high-roof tunnel. This robot may explain how honeybees control their speed and position thanks to optic flow, while demonstrating alternative solution to classical robotic approach relying on ground-truth and metric sensors. Based only on visuomotor control loops reacting suitably to the environment, this rotorcraft has shown its ability to fly autonomously in complex and unstationary tunnels.