Commande locale décentralisée de robots mobiles en formation en milieu naturel PDF Download
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La problématique étudiée dans cette thèse concerne le guidage en formation d'une flotte de robots mobiles en environnement naturel. L'objectif poursuivi par les robots est de suivre une trajectoire connue (totalement ou partiellement) en se coordonnant avec les autres robots pour maintenir une formation décrite comme un ensemble de distances désirées entre les véhicules. Le contexte d'évolution en environnement naturel doit être pris en compte par les effets qu'il induit sur le déplacement des robots. En effet, les conditions d'adhérence sont variables et créent des glissements significatifs des roues sur le sol. Ces glissements n'étant pas directement mesurables, un observateur est mis en place, permettant d'obtenir une estimation de leur valeur. Les glissements sont alors intégrés au modèle d'évolution, décrivant ainsi un modèle cinématique étendu. En s'appuyant sur ce modèle, des lois de commande adaptatives sur l'angle de braquage et la vitesse d'avance d'un robot sont alors conçues indépendamment, asservissant respectivement son écart latéral à la trajectoire et l'interdistance curviligne de ce robot à une cible. Dans un second temps, ces lois de commande sont enrichies par un algorithme prédictif, permettant de prendre en compte le comportement de réponse des actionneurs et ainsi d'éviter les erreurs conséquentes aux retards de la réponse du système aux commandes. À partir de la loi de commande élémentaire en vitesse permettant d'assurer un asservissement précis d'un robot par rapport à une cible, une stratégie de commande globale au niveau de la flotte est établie. Celle-ci décline l'objectif de maintien de la formation en consigne d'asservissement désiré pour chaque robot. La stratégie de commande bidirectionnelle conçue stipule que chaque robot définit deux cibles que sont le robot immédiatement précédent et le robot immédiatement suivant dans la formation. La commande de vitesse de chaque robot de la formation est obtenue par une combinaison linéaire des vitesses calculées par la commande élémentaire par rapport à chacune des cibles. L'utilisation de coefficients de combinaison constants au sein de la flotte permet de prouver la stabilité de la commande en formation, puis la définition de coefficients variables est envisagée pour adapter en temps réel le comportement de la flotte. La formation peut en effet être amenée à évoluer, notamment en fonction des impératifs de sécurisation des véhicules. Pour répondre à ce besoin, chaque robot estime en temps réel une distance d'arrêt minimale en cas d'urgence et des trajectoires d'urgence pour l'évitement du robot précédent. D'après la configuration de la formation et les comportements d'urgence calculés, les distances désirées au sein de la flotte peuvent alors être modifiées en ligne afin de décrire une configuration sûre de la formation.
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La problématique étudiée dans cette thèse concerne le guidage en formation d'une flotte de robots mobiles en environnement naturel. L'objectif poursuivi par les robots est de suivre une trajectoire connue (totalement ou partiellement) en se coordonnant avec les autres robots pour maintenir une formation décrite comme un ensemble de distances désirées entre les véhicules. Le contexte d'évolution en environnement naturel doit être pris en compte par les effets qu'il induit sur le déplacement des robots. En effet, les conditions d'adhérence sont variables et créent des glissements significatifs des roues sur le sol. Ces glissements n'étant pas directement mesurables, un observateur est mis en place, permettant d'obtenir une estimation de leur valeur. Les glissements sont alors intégrés au modèle d'évolution, décrivant ainsi un modèle cinématique étendu. En s'appuyant sur ce modèle, des lois de commande adaptatives sur l'angle de braquage et la vitesse d'avance d'un robot sont alors conçues indépendamment, asservissant respectivement son écart latéral à la trajectoire et l'interdistance curviligne de ce robot à une cible. Dans un second temps, ces lois de commande sont enrichies par un algorithme prédictif, permettant de prendre en compte le comportement de réponse des actionneurs et ainsi d'éviter les erreurs conséquentes aux retards de la réponse du système aux commandes. À partir de la loi de commande élémentaire en vitesse permettant d'assurer un asservissement précis d'un robot par rapport à une cible, une stratégie de commande globale au niveau de la flotte est établie. Celle-ci décline l'objectif de maintien de la formation en consigne d'asservissement désiré pour chaque robot. La stratégie de commande bidirectionnelle conçue stipule que chaque robot définit deux cibles que sont le robot immédiatement précédent et le robot immédiatement suivant dans la formation. La commande de vitesse de chaque robot de la formation est obtenue par une combinaison linéaire des vitesses calculées par la commande élémentaire par rapport à chacune des cibles. L'utilisation de coefficients de combinaison constants au sein de la flotte permet de prouver la stabilité de la commande en formation, puis la définition de coefficients variables est envisagée pour adapter en temps réel le comportement de la flotte. La formation peut en effet être amenée à évoluer, notamment en fonction des impératifs de sécurisation des véhicules. Pour répondre à ce besoin, chaque robot estime en temps réel une distance d'arrêt minimale en cas d'urgence et des trajectoires d'urgence pour l'évitement du robot précédent. D'après la configuration de la formation et les comportements d'urgence calculés, les distances désirées au sein de la flotte peuvent alors être modifiées en ligne afin de décrire une configuration sûre de la formation.
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Les problématiques de recherche abordées dans cette thèse concernent la conceptualisation, la modélisation et la commande générique des robots mobiles lors de leur évolution en milieux extérieurs et en présence de glissement pour des applications de suivi de précision. Ainsi, ce mémoire synthétise dans un premier temps les développements et résultats obtenus lors du suivi de trajectoire (localisation absolue), puis synthétise ensuite ceux obtenus lors de suivi de structure et de cible (localisation relative). Une dernière partie introduit un concept de plateforme robotique reconfigurable et sa commande associée pour adapter l'assiette et les dimensions du châssis en fonction de la topographie du terrain.Pour chaque application de suivi, ce mémoire présente un panel de lois de commande originales pour des robots différentiels, à un train et à deux trains directeurs. Chaque modalité de commande est présentée en quatre étapes : modélisation, estimation, commande et expérimentations. La première contribution majeure de la thèse concerne l'estimation du glissement. Cette dernière est adaptative et basée modèle. Elle intègre la modélisation cinématique étendue seule ou couplée à la modélisation dynamique du robot mobile pour assurer une estimation intègre quels que soient la vitesse, les phénomènes dynamiques rencontrés et la nature du sol. La seconde contribution majeure concerne le développement d'une stratégie de commande générique pour les robots mobiles. Cette stratégie est basée sur le principe de la commande en cascade (ou par backstepping) et est déclinée dans ce mémoire à travers un panel de lois de commande. Cette méthodologie de commande, lorsqu'elle est associée à l'observation du glissement précédent, permet d'obtenir des performances de suivi accrues quel que soit le contexte rencontré. L'ensemble des algorithmes ont été validés en simulation et/ou expérimentalement à l'aide de différentes plateformes robotiques en contextes réels.
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CETTE THESE PRESENTE UN SYSTEME DE PROGRAMMATION ET DE COMMANDE DE ROBOTS MOBILES PAR APPRENTISSAGE. DANS LE BUT D'ASSURER LA FAISABILITE DES MISSIONS, NOUS AVONS MIS AU POINT UNE METHODE D'APPRENTISSAGE DES TRAJECTOIRES GRACE A LAQUELLE LE ROBOT CONNAIT D'UNE PART, LES CHEMINS DES MISSIONS ET D'AUTRE PART, LES ACTIONS A ACCOMPLIR. L'ORIGINALITE DE LA METHODE RESIDE DANS L'UTILISATION CONJOINTE D'UNE BASE DE DONNEES DE TRAJECTOIRES APPRISES ET D'INFORMATIONS DELIVREES EN LIGNE PAR LES CAPTEURS, DE FACON A AUTORISER DES MANUVRES TELLES QUE LE RECALAGE DU ROBOT OU LES EVITEMENTS D'OBSTACLES. DANS LE PREMIER CHAPITRE, NOUS POSONS LE PROBLEME DE LA COMMANDE DE ROBOTS MOBILES EN ENVIRONNEMENT INTERIEUR, TANT SUR LE PLAN DES STRATEGIES DE NAVIGATION QUE SUR LE PLAN DES SYSTEMES DE LOCALISATION OU DES STRUCTURES DE COMMANDE. DANS LE DEUXIEME CHAPITRE, NOUS PRESENTONS LA PHASE D'ACQUISITION DES TRAJECTOIRES. PENDANT CETTE ETAPE PRINCIPALE, LE ROBOT EST TELEOPERE TANDIS QUE SON SYSTEME DE LOCALISATION EST ACTIF ET DELIVRE DES INFORMATIONS QUI SONT TRAITEES PUIS MEMORISEES SOUS FORME DE FICHIERS D'APPRENTISSAGE. L'EXECUTION D'UNE TRAJECTOIRE APPRISE NECESSITE D'UNE PART, UNE GENERATION DE MOUVEMENT QUI UTILISE AUSSI BIEN DES POINTS ACQUIS EN LIGNE QUE DES POINTS ACQUIS PENDANT LA PHASE D'APPRENTISSAGE, ET D'AUTRE PART, LE CALCUL DES VARIABLES DE COMMANDE POUR LE ROBOT CONSIDERE. NOUS DECRIVONS L'UNE ET L'AUTRE DANS LE TROISIEME CHAPITRE. LE QUATRIEME CHAPITRE PRESENTE TOUS LES OUTILS NECESSAIRES A L'APPRENTISSAGE DES TRAJECTOIRES D'UN ENSEMBLE DE MISSIONS TELS QUE LA STRUCTURATION DES CHEMINS, LA VALIDATION ET LA CORRECTION EVENTUELLE DES FICHIERS D'APPRENTISSAGE, LA GESTION DE L'ENCHAINEMENT DES PHASES, L'INTERFACE HOMME/MACHINE, LA PROGRAMMATION DES ACTIONS DU ROBOT. NOUS AVONS IMPLANTE LE SYSTEME COMPLET DE PROGRAMMATION ET DE COMMANDE PAR APPRENTISSAGE SUR LE ROBOT DU PROJET FIRST, DEDIE AU TRANSPORT DE CHARGES EN MILIEU HOSPITALIER. DANS LE DERNIER CHAPITRE, NOUS PRESENTONS CE PROJET, L'IMPLANTATION DU SYSTEME ET LES DIFFERENTS ESSAIS EFFECTUES
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La problématique étudiée dans cette thèse concerne le maintien de l'intégrité de robots mobiles en milieux naturels. L'objectif est de fournir des lois de commande permettant de garantir l'intégrité d'un véhicule lors de déplacements autonomes en milieux naturels à vitesse élevée (5 à 7 m.s -1 ) et plus particulièrement dans le cadre de l'agriculture de précision. L'intégrité s'entend ici au sens large. En effet, l'asservissement des déplacements d'un robot mobile peut générer des consignes nuisant à son intégrité physique, ou à la réalisation de sa tâche (renversement, tête-à-queue, stabilité des commandes, maintien de la précision, etc.). De plus, le déplacement en milieux naturels amène des problématiques liées notamment à des conditions d'adhérence variables et relativement faibles (d'autant plus que la vitesse du véhicule est élevée), ce qui se traduit par de forts glissements des roues sur le sol, ou encore à des géométries de terrains non traversables par le robot. Aussi, cette thèse vise à déterminer en temps réel l'espace de stabilité en terme de commandes admissibles permettant de modérer les actions du robot. Après une présentation des modélisations existantes, et des observateurs permettant l'exploitation de ces modélisations pour la mise en place de loi de commande prédictive en braquage pour le suivi de trajectoire, une nouvelle méthode d'estimation des glissements basé sur une observation cinématique est proposée. Celle-ci permet de répondre aux problématiques de vitesse variable (et notamment du passage de la vitesse par des valeurs nulles) du véhicule et d'observation lors d'un déplacement sans trajectoire de référence. Ce nouvel observateur est primordial pour la suite des développements de cette thèse, puisque la suite des travaux s'intéresse à la modulation de la vitesse du véhicule. Ainsi, dans la suite des travaux, deux lois de commande prédictives agissant sur la vitesse du véhicule ont été mises en place. La première apporte une solution à la problématique de la saturation des actionneurs en braquage, lorsque la vitesse ou les glissements rendent la trajectoire à suivre inadmissible vis-à-vis des capacités physiques du véhicule. La deuxième répond à la problématique de la garantie de la précision du suivi de trajectoire (maintien du véhicule dans un couloir de déplacement). Dans les deux cas la stratégie de commande est similaire : on prédit l'état futur du véhicule en fonction de ses conditions d'évolution actuelle et de conditions d'évolutions futures simulées (obtenues grâce à la simulation de l'évolution d'un modèle dynamique du véhicule) afin de déterminer la valeur de la vitesse optimale pour que les variables cibles (dans un cas la valeur du braquage et dans l'autre l'écart à la trajectoire) respectent les conditions imposées (non-dépassement d'une valeur cible). Les résultats présentés dans ce mémoire ont été réalisés soit en simulations, soit en conditions réelles sur des plateformes robotiques. Il en découle que les algorithmes proposés permettent dans un cas de réduire la vitesse du véhicule pour éviter la saturation du braquage et donc les phénomènes de sur et sous virage qui en découlerait et donc permet de conserver la commandabilité du véhicule. Et dans l'autre cas de garantir que l'écart à la trajectoire reste sous une valeur cible.
Author: Roland Lenain Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 242
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La problématique de cette thèse réside dans le guidage automatique de robots mobiles évoluant en milieu naturel. Elle s'attache en particulier au suivi de trajectoire pour les véhicules roulant sur des sols dotés d'une faible adhérence, avec comme cadre expérimental privilégié, le guidage d'engins agricoles par GPS. Dans ces conditions, l'hypothèse de roulement pur sans glissement ne peut s'appliquer. Cette thèse propose un algorithme de commande global, exploitant trois domaines connexes de la robotique : la modélisation, la perception et la commande. Deux modèles cinématiques étendus sont d'abord proposés afin de caractériser la dynamique du véhicule -intégrant les glissements - tout en conservant une architecture cinématique. Un observateur capable d'estimer en temps réel l'adhérence est utilisé pour alimenter les modèles. Enfin des lois de commande adaptatives et prédictives permettent d'assurer un suivi de trajectoire précis (+-15 cm), validé par de nombreuses expérimentations
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LES TRAVAUX EFFECTUES AU LAIM ONT DEGAGE LES QUALITES DES SYSTEMES DE COMMANDE DECENTRALISES: HOMOGENEITE, FLEXIBILITE ET ACCESSIBILITE. POUR QU'ELLE SOIT TOTALE, LA DECENTRALISATION DOIT ETRE APPLIQUEE AUX NIVEAUX SUPERIEURS DE LA DECISION, CHARGES DE LA PRISE EN COMPTE DE L'IMPREVU PAR LA MISE EN UVRE DE PROCESSUS COGNITIFS. UNE ETUDE DE L'ARTICULATION ENTRE LE REFLEXE ET L'INTELLIGENCE CHEZ L'HOMME MONTRE L'INTERET DE L'APPRENTISSAGE, QUI PERMET UN TRANSFERT PROGRESSIF DE LA DECISION VERS LE REFLEXE. NOUS EN CONCLUONS QUE L'AUTONOMIE DES SYSTEMES DE COMMANDE EST DEPENDANTE DE LEUR CAPACITE A APPRENDRE. CECI NOUS AMENE A ETUDIER LES DIFFERENTES FORMES D'APPRENTISSAGE ARTIFICIEL, NOTAMMENT L'APPRENTISSAGE PAR INSTRUCTION ET L'APPRENTISSAGE PAR ANALOGIE. NOUS PROPOSONS AINSI UN MODELE DE DECENTRALISATION DE L'INTELLIGENCE S'APPARENTANT A UN MODELE MULTI-AGENTS. NOUS APPLIQUONS CES CONCEPTS ET DEMONTRONS LEUR VALIDITE DANS LE CAS DE LA COMMANDE D'UN ROBOT POURSUIVANT UNE CIBLE, CHAQUE AXE ETANT PILOTE DE FACON TOTALEMENT AUTONOME.
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La thématique étudiée dans ce mémoire est axée sur la préservation de la stabilité dynamique de véhicules évoluant en environnement naturel. En effet, la mobilité en milieu tout-terrain est une activité particulièrement pénible et dangereuse en raison de la nature difficile de l'environnement de conduite et de la reconfigurabilité des machines. Le caractère changeant et incertain des interactions rencontrées entre des véhicules à dynamique complexe et variable et leur environnement entraîne régulièrement des risques accrus de renversement et/ou de perte de contrôle (dévalement, dérapage déclenché par une perte soudaine d'adhérence) pour le conducteur. Une forte accidentalité mortelle est, en effet, recensée dans ce secteur, en particulier, dans le milieu agricole ou le renversement de véhicule est classé comme étant la première cause de mortalité au travail. A l'heure actuelle, les approches existantes sur la stabilité d'engins agricoles sont qualifiées à juste titre de passives car elles ne permettent pas d'éviter que les accidents ne se produisent. Par ailleurs, la transposition directe des solutions de sécurité active du secteur de l'automobile (ABS, ESP) s'est révélée inadaptée aux véhicules tout-terrain a cause des hypothèses simplificatrices (routes plates et homogènes, conditions d'adhérence constantes, etc.) dont souffre la conception de ces dispositifs. Ainsi, le développement de systèmes actifs de sécurité prenant en compte les spécificités de la conduite en milieu tout-terrain se révèle être la meilleure voie d'amélioration à suivre. Eu égard à ces circonstances, ce projet se propose d'adresser cette problématique en étudiant des métriques de stabilité pertinentes permettant d'estimer et d'anticiper en temps réel les risques afin de permettre des actions correctives pour la préservation de l'intégrité des machines tout-terrain. Afin de faciliter l'industrialisation du dispositif actif de sécurité conçu, l'une des contraintes sociétales et commerciales de ce projet a été l'utilisation de capteurs compatibles avec le coût des machines visées. L'objectif ambitieux de cette étude a été atteint par différentes voies. En premier lieu, une approche de modélisation multi-échelle a permis de caractériser l'évolution dynamique de véhicules en milieu tout-terrain. Cette approche à dynamique partielle a offert l'avantage de développer des modèles suffisamment précis pour être représentatifs du comportement réel de l'engin mais tout en présentant une structure relativement simple permettant la synthèse d'asservissements performants. Puis, une étude comparative des avantages et des inconvénients des trois grandes familles de métriques répertoriées dans la littérature a permis de mettre en exergue l'intérêt des métriques analytiques à modèle dynamique par rapport aux catégories de critères de stabilité dits statiques et empiriques. Enfin, l'analyse approfondie des métriques dynamiques a facilité le choix de trois indicateurs (Lateral and Longitudinal Load Transfer (LLT), Force Angle Stability Measurement (FASM) et Dynamic Energy Stability Measurement (DESM)) qui sont représentatifs d'un risque imminent de renversement du véhicule. La suite du mémoire s'appuie sur la théorie d'observation pour l'estimation en ligne des variables non directement mesurables en milieu tout-terrain telles que les rigidités de glissement et dérive du pneumatique. Jumelée aux différents modèles dynamiques du véhicule, la synthèse d'observateurs a permis donc d'estimer en temps réel les efforts d'interaction pneumatiques-sol nécessaires à l'évaluation des indicateurs d'instabilité. Le couplage de ces modèles multi-échelles à la théorie d'observation a ainsi constitué un positionnement original à même de briser la complexité de la caractérisation de la stabilité de véhicules à dynamiques complexes et incertaines. (...).
Author: Michael Defoort Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 206
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Ce travail se place dans le cadre de la navigation autonome d'une flottille de robots mobiles non holonomes. Notre objectif est de doter un système multi-robots à la fois d'une architecture de planification de trajectoire flexible et d'une architecture de poursuite de trajectoire performante et robuste.Le premier chapitre est consacré à la présentation du contexte.Le deuxième chapitre est dévolu au développement d'un algorithme de planification de trajectoire admissible pour un robot mobile suffisamment flexible pour pouvoir être étendu au cadre multi-robots.Dans le troisième chapitre, deux mécanismes de coordination sont développés. Pour le premier, les conflits sont résolus via un superviseur. Le second permet la génération en ligne des trajectoires optimales de chaque robot de manière décentralisée à partir uniquement des informations disponibles.Le quatrième chapitre concerne la commande par modes glissants d'ordre quelconque. L'efficacité de l'algorithme est mise en lumière à travers des résultats expérimentaux sur un moteur pas à pas.Dans le cinquième chapitre, deux algorithmes de commande par modes glissants avec action intégrale sont synthétisés et implémentés sur le robot Pekee. Ces techniques assurent la stabilisation et/ou le suivi de trajectoire malgré la présence de perturbations et d'incertitudes.Le dernier chapitre décrit un mécanisme décentralisé de coordination de type ``meneur/suiveur''. Il permet de s'affranchir de la connaissance de la position absolue de l'ensemble des robots et d'éviter les collisions entre robots. Enfin, nous présentons des résultats expérimentaux sur une flottille de trois robots Miabot.
Author: Yingchong Ma Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 168
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Ce travail propose de nouvelles stratégies pour la planification et le contrôle des robots mobiles non-holonomes, de nouveaux algorithmes sont proposés. Tout d'abord, l'identification des différents modèles cinématiques de robot mobiles est discutée, et le problème est formulé comme l'identification en temps réel du signal de commutation d'un système singulier non-linéaire et à commutation. Deuxièmement, sur la base du modèle identifié, un algorithme de planification locale est proposé, et le contour irrégulier de l' obstacle est représenté par des segments. La trajectoire est obtenue en résolvant un problème de commande optimale avec contraintes. Troisièmement, nous appliquons un contrôleur i-PID pour contrôler le robot mobile non-holonome avec la perturbation dans les mesures. Un paramètre de commutation [alpha] est proposé en raison de la particularité du système non-holonome. En plus de notre algorithme de planification proposé, une autre approche de planification en utilisant de champs de potentiels est proposée. La nouvelle fonction de champ de potentiel est en mesure de résoudre les problèmes de minima locaux et de produire des forces lisses pour éviter les oscillations. Enfin, une approche de planification coopérative entre robots est proposée en utilisant les informations locales partagées par chaque robot. Le graphe de visibilité est utilisé pour générer une série d'objectifs intermédiaires qui assureront aux robots d'atteindre l'objectif final, et un algorithme est proposé pour étendre les obstacles et fusionner les obstacles lorsque deux obstacles s'entrecroisent.
Author: Audrey Guillet
Author: Audrey Guillet
Author: Mathieu Deremetz
Author: Catherine Rafflin
Author: Jean-Baptiste Braconnier
Author: Roland Lenain
Author: Aline Cauvin
Author: Dieumet Denis
Author: Catherine Rafflin
Author: Michael Defoort
Author: Yingchong Ma