Mesure

Que ce soit en milieu naturel ou urbain, il est fréquent que l’environnement dans lequel évoluent les robots soit mal connu ou/et évolutif. Cette incertitude est préjudiciable à la réalisation des missions, notamment celles concernant l’exploration de zones dangereuses. Dans ce contexte, de petits engins terrestres non habités (UGVs) peuvent être utilisés pour suppléer l’homme grâce à leurs capacités de reconnaissance. Une des facultés clé de ces systèmes robotisés est leur capacité à collecter de l’information sur leur environnement, et à l’analyser afin de fournir des informations sur la configuration des lieux (cartographie) et la reconnaissance et localisation d’objets d’intérêt. L’autonomie maximale des robots doit aller de pair avec la robustesse du système vis-à-vis par exemple des interruptions de communication.

Pour améliorer les capacités de localisation, de cartographie de bâtiments et d’analyse de terrain en milieu urbain, la DGA et l’ANR ont initié  en 2009 le défi CAROTTE (CArtographie par ROboT d'un TErritoire) et lancé un appel à projet robotique dont l’objectif est triple :

• faire progresser l’innovation et l'état de l'art en robotique dans le domaine perception - cognition pour des applications duales ;
• susciter des rapprochements entre chercheurs et industriels issus de la robotique et de domaines connexes ;
• vérifier la capacité des petits robots terrestres pour des missions de reconnaissance en milieu fermé non totalement structuré. 

Parmi la quinzaine d’équipes qui avaient répondu en juin 2009, cinq consortiums ont été retenus et ont, à ce titre, bénéficié chacun d’une aide de 350 000 € sur 36 mois au titre de développement du projet.
Après un an de développement et de recherche, ils ont présenté leurs robots à un jury composé de membres de la DGA et de l’ANR, d’universitaires et d’industriels.

Après les épreuves constituées de séances de qualification, d’un exposé et d’un concours final, c’est le projet CoreBots du consortium MINES ParisTech (École des Mines de Paris), Epitech, INRIA et Intempora S.A, animé par Intempora S.A., qui a remporté la première phase de ce défi. Au cours de la deuxième phase du défi qui se déroulera en juillet 2011, les équipes présenteront alors la seconde version de leurs robots, améliorés tout au long de l’année.

Un architecture logicielle développée à 100 % par le consortium

Le système robotisé CoreBots est basé sur une plateforme ouverte du commerce Wifibot LAB V2, un  robot différentiel à 4 roues motrices de petite taille (30 x 35 x 20 cm), d’environ 5 kg,  qui peut facilement être transporté par un seul homme. Il a été équipé de plusieurs capteurs de perception (lidars de 4 et 30 m, webcam …) et d’une batterie NiMH de 12V. Il  embarque, sur une plateforme à base d’un calculateur Intel Core2 sous Linux, les fonctions de  localisation et cartographie simultanées, navigation autonome en environnement inconnu, reconnaissance d’objets par segmentation 3D et vision, scan 3D et reconstruction en 3D de l’environnement. Le système de communication est assuré par une carte Wifi fille, utilisant la technologie MIMO.

L’architecture logicielle, entièrement développée par l’équipe, est constituée de plusieurs modules distribués autour d’un module central en charge de la gestion de la carte :

• contrôle ou exploitation à distance de tous les services: le nouveau middleware distribué Cables, développé  dans le cadre du projet ANR AROS par MINES ParisTech (École des Mines de Paris) et Intempora S.A. contrôle une série de services, tous interconnectés. Une interface web permet de diagnostiquer et de manipuler simplement ces différents services : contrôle de la plateforme et  des servomoteurs, détection  automatique du  type de laser connecté, informations issues de la centrale inertielle…
• localisation et cartographie par laser: l’algorithme CoreSLAM reçoit en entrée les données d’un ou plusieurs capteurs laser et produit une carte de l’environnement où évolue le robot ainsi que ses déplacements. Léger et efficace, il tourne sur la carte embarquée dans le robot avec un minimum de ressources système. Il permet d’intégrer deux télémètres laser Hokuyo pour la création de la carte. Le premier capteur qui est de haute qualité et offre une portée de 30 m,  est placé de manière à scanner l’environnement horizontalement, permettant ainsi à l’algorithme d’effectuer les tâches de localisation et de cartographie. Le deuxième capteur atteint une portée maximale de 4 m. Sa position inclinée lui permet de détecter les obstacles au sol non perçus par le premier laser ;
• calcul et suivi de trajectoire: le module CoreControl exploite une carte de distance aux obstacles pour permettre au robot d’atteindre des points cibles en évitant les obstacles rencontrés ;
• détection, caractérisation et reconnaissance d’objets par vision : l’algorithme CoreKeyPoints permet la détection, la caractérisation et la reconnaissance des objets par vision. Il  peut extraire des points d’intérêt et calculer puis reconnaître des signatures correspondant à tel ou tel objet ;
• gestion de la carte : le module « serveur de carte » CoreMap devra permettre à plusieurs clients d’accéder en lecture et écriture à un seul objet cartographique centralisé (enrichissement et consultation de la carte).  Actuellement, ce module propose une carte sur laquelle d’autres modules comme CoreSLAM peuvent venir ajouter ou supprimer des obstacles. Il entretient également une carte de distance aux obstacles qui permettra au robot de calculer et mettre à jour sa trajectoire ;
• interfaces graphiques de contrôle et de visualisation : les  modules graphiques Core HMI affichent la carte, les données capteurs et,  le cas échéant, envoie des commandes au robot.

Un premier module permet d’afficher la carte reconstruite par les algorithmes de SLAM en temps réel et d’y incruster les obstacles détectés. Plusieurs modes d’affichage sont disponibles comme par exemple un mode « carte de distance » qui propose une vue du plan qu’utilisera le robot pour générer sa trajectoire Via les services http fournis par la librairie Cables, des interfaces web permettent d’afficher en temps réel les diverses données capteurs (odométrie, charge batterie, températures, etc...). Enfin, un outil externe permet d’afficher des nuages des points 3D obtenus par scan 3D pour une utilisation a posteriori. 

Les développements effectués ont aussi bénéficié d’autres outils logiciels performants comme le simulateur de robots Marilou de la société AnyKode et l’outil ^RTMaps d’Intempora. La société Wifibot est également impliquée par l’intermédiaire de Laurent Bouraoui, dirigeant de Wifibot et ingénieur de recherche à l’Ecole des Mines-Paristech.