Conception d'une boussole optique bio-inspirée pour estimer le cap d'un système portable optoélectronique.

Design of a bio-inspired optical compass in order to estimate the direction of a portable optoelectronical system

• Auteur / Autrice : Antoine Moutenet
• Direction : Julien Serres, Stéphane Viollet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences du Mouvement Humain - MRS
• Date : Inscription en doctorat le 01/06/2021
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences du mouvement humain
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ISM - Institut des Sciences du Mouvement Etienne Jules Marey

Mots clés

Mots clés libres

Polarisation

Rayleigh

Fourmis cataglyphis

Système embarqué

Boussolle

Cap

Polarisation

Rayleigh

Saharan silver ant

On-board system

Compass

Heading

Résumé

Lorsqu'il s'agit de naviguer à l'extérieur de manière autonome, le système GPS occupe un rôle prépondérant pour tout système de navigation. De nos jours, il est possible de trouver sur étagère des systèmes de navigation complets intégrant GPS, IMU et compas magnétique pour un encombrement de seulement 2x2cm2 et une masse de 5 grammes. Cependant, il existe des circonstances où le GPS ne fonctionne pas correctement (canyons urbains, tunnels…) et où le champ magnétique terrestre est trop perturbé pour fournir une mesure fiable du cap. C'est précisément pour pallier ce type de problèmes que nous proposons de développer un compas optique basé sur un principe bio-inspiré issu d'études comportementales menées chez la fourmi du désert Cataglyphis. Cet animal dispose en effet d'une zone particulière dans la partie dorsale de son champ visuel sensible à la lumière polarisée du ciel, appelée aire dorsale marginale. Par ailleurs, SAFRAN Electronics & Defense produit des systèmes d'observation optroniques pour différentes utilisations. Ces systèmes d'observation nécessitent la connaissance de leurs position et orientation afin de calculer les coordonnées des points observés. Ces systèmes portables (jumelles) doivent de plus rester légers et consommer peu. Il n'existe pas à ce jour de capteur permettant de déterminer le cap des jumelles de façon très rapide et dans différentes conditions environnementales. Le but de ce travail de thèse consistera à montrer qu'il est possible de mesurer une orientation par rapport au ciel avec une très bonne précision, c'est-à-dire compatible avec des applications de défense, en exploitant des propriétés de la lumière solaire diffusée par le ciel, comme la polarisation de la lumière dans le bleu et l'ultraviolet. La thèse aura pour objet aussi de caractériser finement le phénomène physique, d'examiner ses variantes, de concevoir des systèmes technologiques transposables aux produits de SAFRAN et d'en déterminer les performances sous diverses conditions environnementales. Le travail de thèse s'appuiera sur des développements récents de l'ISM concernant la mise en œuvre d'un compas céleste pour la robotique.

When it comes to autonomous outdoor navigation, the GPS system plays an important role in any navigation system. Nowadays, it is possible to find complete navigation systems on the shelf that integrate GPS, IMU and magnetic compass in a footprint of only 2x2cm2 and a mass of 5 grams. However, there are circumstances where GPS does not work properly (urban canyons, tunnels...) and where the earth's magnetic field is too disturbed to provide a reliable heading measurement. It is precisely to overcome this type of problem that we propose to develop an optical compass based on a bio-inspired principle derived from behavioural studies conducted on the desert ant Cataglyphis. This animal has a special area in the dorsal part of its visual field that is sensitive to polarized sky light, called the dorsal marginal area. SAFRAN Electronics & Defense also produces optronic observation systems for various uses. These observation systems require knowledge of their position and orientation in order to calculate the coordinates of the observed points. These portable systems (binoculars) must also remain light and consume little energy. To date, there is no sensor that can determine the heading of the binoculars very quickly and in different environmental conditions. The aim of this thesis will be to show that it is possible to measure an orientation with respect to the sky with a very good accuracy, i.e. compatible with defence applications, by exploiting properties of sunlight scattered by the sky, such as the polarisation of light in the blue and ultraviolet. The thesis will also aim to characterise the physical phenomenon in detail, examine its variants, design technological systems that can be transposed to SAFRAN products and determine their performance under various environmental conditions. The thesis work will be based on recent developments at ISM concerning the implementation of a celestial compass for robotics.