Navigation autonome bio-inspirée appliquée à un robot hexapode

Bio-inspired autonomous navigation applied to a hexapod robot

• Auteur / Autrice : Julien Dupeyroux
• Direction : Stéphane Viollet, Julien Serres
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences du Mouvement Humain
• Date : Soutenance le 05/07/2019
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences du Mouvement Humain (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences du Mouvement Etienne Jules Marey (ISM)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Louis Vercher
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Fourcassié, Guido De Croon, Myriam Zerrad, Véronique Serfaty
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Luc Jaulin, Philippe Bonnifait

Mots clés

Mots clés contrôlés

Robotique

Architecture et biologie

Électronique en navigation

Mots clés libres

Robotique hexapode

Navigation

Intégration de chemin

Compas céleste

Flux optique

Vision non-Conventionnelle

Bio-Inspiration

Biomimétisme

Bionique

Biorobotique

Hexapod robot

Navigation

Path integrator

Celestial compass

Optic flow

Non-Conventional vision

Bio-Inspiration

Biomimicry

Bionics

Biorobotics

Résumé

Le développement de la navigation autonome est devenu l'un des enjeux technologiques majeurs du 21ème siècle. Aucune solution fiable ne saurait faire l'économie du GPS ni même des caméras, très répandues en robotique. Cette thèse vise à mettre en place une nouvelle stratégie de navigation parcimonieuse inspirée des fourmis du désert Cataglyphis afin de localiser un robot terrestre mobile hexapode. S'inspirant de l’œil composé des fourmis, un compas céleste minimaliste doté de deux photodiodes sensibles au rayonnement UV et surmontées de filtres linéaires polarisants, permet d'acquérir l'angle de polarisation de la lumière du ciel, lequel sert de cap en navigation terrestre. Le compas céleste a démontré d'excellentes performances, résilientes à l’égard des conditions météorologiques. Les tâches de navigation ont été réalisées par le robot hexapode AntBot, équipé du compas céleste et d'un capteur de flux optique constitué de 12 pixels auto-adaptatifs dont la réponse mime celle des cellules photoréceptrices des tortues. AntBot dispose d'un intégrateur de chemin inspiré des fourmis Cataglyphis. Ce système fusionne le cap donné par le compas céleste, la distance mesurée par le flux optique, et le nombre de pas pour déterminer la position du robot par rapport à son point de départ. Il en a résulté une erreur de navigation moyenne stable d'environ 6cm, indépendante de la forme ou de la distance des trajectoires accomplies (variant de 5 à 15m). Ces résultats montrent que cette stratégie de navigation peut être envisagée en parallèle d'un GPS, pour un coût calculatoire faible, afin de bénéficier d'un système de localisation précis, robuste et efficace.

Autonomous navigation is one of the leading technological challenges of the 21st century and is currently solved using GPS and camera-based strategies. This PhD thesis aims at setting up new navigation strategies inspired by desert ants Cataglyphis, requiring few resources and tested on board a hexapod walking robot. Taking inspiration from the ants' compound eye, a novel celestial compass - composed of just two ultraviolet-sensitive photodiodes topped with rotating linear polarizers - provides measurements of the angle of polarization of the skylight with high angular precision. This angle is used as the vehicle's heading while navigating. This compass provided excellent performances regardless of the meteorological condition. Navigation tasks were performed with our hexapod robot AntBot equipped with both the celestial compass and an optic flow sensor, which includes 12 auto-adaptive pixels mimicking photoreceptors in turtles. AntBot has a path integrator navigation system inspired by behavioral studies in desert ants Cataglyphis. This strategy uses the heading given by the celestial compass, the distance measured with the optic flow sensor, and the stride integrator to determine the vehicle's position with respect to its departure location. Experiments resulted in a navigation error of approximately 6cm regardless of the shape and the length of the trajectory (varying from 5m to 15m). These results show that such navigation system can be used to complement classical techniques like GPS and vision-based ones, with a high level of robustness and efficiency, and with few computational resources needed.