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Institut National Polytechnique de Toulouse
´ENSEEIHT Ecole doctorale EDSYS
S´election et contrˆole de modes de
d´eplacement pour un robot mobile
autonome en environnements naturels
`THESE
pr´esent´ee et soutenue publiquement le 18 juillet 2006
pour l’obtention du
Doctorat de l’Institut National Polytechnique de Toulouse
(sp´ecialit´e syst`emes automatiques)
par
Thierry Peynot
Composition du jury
Rapporteurs : Philippe Bidaud Professeur, Universit´e Paris 6
Bernard Dubuisson Professeur, Universit´e de Technologie de Compi`egne
Examinateurs : Catherine Tessier Ing´enieur de recherche, ONERA-CERT
Ronald C. Arkin Professeur, Georgia Institute of Technology, USA
Simon Lacroix Charg´e de Recherche, LAAS-CNRS
Raja Chatila Directeur de Recherche, LAAS-CNRS
Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Syst`emes — UPR CNRS
:th?seDiredecteurRemerciementsApr?squelquesquiestnotrequatred'?treann?esrtidelerecpherc?n?ci?heesem?esdend'emlabo?camhes,jaleourmomentht'end'?crireetcesMatthieuquelquesmonlignestarrivrigueure?t?umntelspeteudanscomme1uneSimonlibet?ration,uetprevle?etetunUSA)caract?remad'unetoimptalortancesourcetouteauxpar-?ticuli?rela?auronmespropremenyconeux,scommetousbienunsouv.enenseignementourauxcesyratoire,euxdudualecteur.th?seTdeoutd'abdonordcescarherccetteet?tapougeree,estang?n?ralemenortes.tdeuxeectu?eetuneTfois(Georgialaaccept?th?seerr?dig?emesetfsoutenbue,ledoncotspbourpriainsiMercidiredutermin?e.?lectroniciens.Celaksignied'quelaleqpluspdurplaceestn'afait,qu'?aunevtaleecdouteuneaussiconcltsusionort?(malgr?momentout)e,g?n?ralemendettplut?tersit?pArticielleositivve,deetvplabermet?unerespr?dactionedanspuneoiratmosph?redirecteurplusMercid?tendencadranueth?se,quecolorscdeslibderni?resj'aisemainesourdevlader?dactionSon(enuparticulier.motiv.faire.).robD'autrecommpartencaroilqs'agitdeuxnalemen?gattdeorteursladpartieDubuissonlexaminateursa(ONEplusC.pecersonnellevdupm?moireidejuryth?se,TcelletsquiSara,pneutrnerdonneretunpeexpindicationlessurfaitlavis)petersonnalit?motivdecipalesonvauteur,enlestecconditi,oetngrandsPdansdonlesquellesdestielaaleth?se?tencea(et?t?tique.eectu?e,elquesencadr?een(sidetelmis?taitienlequecas.ait.Ne.),titre,etestsoutenortanceudameeneparnunlui-m?meennimiser.tourage.g?n?ralOnpditIsouvtenaidet?queparfoismalgr?Viviane,laThierrypr?sencequatred'unm'onunique?nomassurerdans?leRobctellhamppauteurm'aduoirdoermiscumenr?alisert,traunauxtelcetraovetailRan'aChatila,pasonsable?t?groupr?alis?RIAseul,,etourn'auraitvpuaccept?existermonsansdel'ociel.a?iLacroix,de,tlecettesoutienpetsalanconantributioned'autreslapert?ersonnes.tPbourpquiconquemeneratrayaanxtrecd?j?he.aronent?ocettesiasme?psareuvatione,ourcelabpleseuotsttoujourssemunicativblerm?meunenelapalissade,vmaisyiltestudestrevp?rit?sMerciquilsonmentauxtoujoursrappbPhilipponnesBidau?(LRP)direBernardet(UTC),m?meaux?Catheriner?pessier?ter.RA)DeRonaldplus,ArkinceTneh,sond'atoirpasdeforc?menatclesppauersonnesdelesth?se.plusous?videnremerciementes?quietonquitonalementtuapplaort?outiquelesrencotnossibletributionsc?t?et?rimensuppsurortsroblesquip(?lusafondamenlataux.eaut?Jelasouhaitedeainsiationremerciern-dedenomtrabreusesail.paussiersonnesg?n?ralqueservicesj'aihniques?t?LAASamen?don?Sysadminc?tolesyUnermercipMa?treendanatrictD.,cestquelquesmoann?esn'ade?gth?se,quequecompceetsoitremarquabledansrare)unsciencadreNosdeutrabrainstormingvtailparticulierouermisplusred?niramical,formalismeenenespb?ranplusttn'oubliercelapversonne.jamaisIlfait.estserait-ceencetendusaquetributionled'lecteurimpnefdevranliernaucunequ'il?cmanquerahaellesd'imppasortancede?il'ordreMercidansenlequel?appara?tronlestermanencesRdivAersm'auronnoms.appIluneseraitoudesoutientoutesdesmani?restsbiencritiques,d?risoirequedePhilippvououloirSseulemenCestann?esenth?seattribuertun.enP?galemenour?commencer,desmercits?l'univMalik1Ghallab,otiquedirecteurInduigenceLAAS-CNRSiPaulSabatier,donnantributionJean-Micrelecturet.blieumejorar?graciasd'autresvrencon:tres.etmicollabpas.orations!)d'impbreuxortance.r?exionsDansus,ceSylvcadre,ujeconsouhaiteYremercier!ptourqueleurCriticalaidethatettleuret/ousoutienbmesdecoseronlbiens,l?guesArnEmmanLudo,uelleJ.,Despnenaonmigos.tiun,gringo),G?rarderososMouneyhido/c,merciMictheltComexprimerbacau,MerciPhilippmeiationEsteban,ThanksViviane!Cadenat,impCyrildouBriandctoran,anPpartag?atricaiskremisesDan?sd?tenainsi!quettousfran-ceuxortuguais,aVince,vho,ecetit-Bonhomme,quiGaj'aiaulo,?t?o,amen?Elo?etramesvnousaillbienera?os?espa?oll'UPS.teMercilosaussiqueauxibcpasarlaollnot?gtsuuscriessoutienacvlesquellesecjamaisqupidois.j'aitouseu!laallcInc.hancePracticaldeadministrativtraallvexpaillerladanslaletecadrendudesprol?guesjeting?nieurs,R2M,aentout,particulierquil'?quipteetHylosts,2discussions,dunLRPts:et.ChristophedeGrand,principauxGuillaumed?j?Besseron,onFsoiena?zmexicains,Bencanadien,AmarbienetFTr?d?ric,PluLeomJ?r?meet.PiAuElcoursMa?tredeAkin,ceSylvttetath?seainsij'aimon?t?yamen?ecial,?Di.tragrandvqueridosailler?reenlongtempscollabTorationa?adiraestosvsirvieronecteunedel?quipespemexicanod'ungraciascenutremomendepasarlagenNASA,QueleereNASAustedes,AmesbuResearcehmesCenourter,usitu?etauconancecoeteur(bdequ'ilslaort?esSiliconth?seVnealleytenmaCalifornie,toutdanseler?sum?cadreeaucoupduMucprotojetvCDSh(Collab2orativeceAssoDecisionInSystems).rainingCettequestionsaes.vtoenfortureuniqueaerienced?but?Enn,enconf?vrierquotidienne2005,plusmarqu?eortanparvienunsanss?jouruldete2nommoiscol-etdodemits,surstagiaires,site,amisetvconcluetparadesecd?monstrationsj'aipubliquestanr?ussiesdelesons29mauvetmomen30deseptemetbrede2005.eCecause,futmomenunedeexpte?rience.tr?seaucoupenriccaf?hissanLestese?tplusieursprobablemenprecoinntsqu'ilsdetvue,cais,etcolomjecatalan,tiensp?ouremercierturctoutesCheflesAur?lie,pClaudiaersonnesrufa,quiol'onNactLuis,p,ermiseain,et/ouPyEfrainonltrafa,tGeepPlato,avi?a,rtiJoan,chel,iPpMa?tre?.ainMerciGus-doncv?Martial,F?lix,qRaejaamieetdie,Simonunapespourunm'acertainev.oirUnaccord?mercileuramis,conanceaenJ'espmequeconanresteronstencettetact.missionam;puedo?ql'?quipeeultimosIDEA,meaparavbastanecmien(ademasparticulieringlessonypecialmenoumonelNicola!Muscettola,estomonaprincipalncollabmorateurbuenosChtosucpudekconFestimadaryte,eroamericana.ainsicquehevDafuevidconRijsmanamigosetLastPtaullTast,ompkins,?etparen?ptoutelal'?quipdemanCDStensurtoug?n?ral,leurdonettinconditionnels,sontanmeneurdeLiamonnes)Phosesedersenm'onainsiappqsansucetteen'existeraitVinhJeTsauraiocommenetleurJereytouteIglesias.gratitudeMerciouraussice?jChristileurnaEnStosic:(MCTb2?),!ShasoandosieThanksLauery(NASucA)toet!l'AIPTMission3Tphnologiesour3lesc(nomforbreusesternationaletTdicilesiiAKatPat,leungrandvoulaittravailoild'unquipdeveniretitpoplusrteiliiiivTabledesmati?res...Tdalit?sableUnde1.3.1s.gures.xi.Intirertro.duction.g?n?ral.e.Chapitre.1.Con.texte.et.p.ositionnemen.tF1.1vironnemenNa.vigation.autonome16d'un.rob.otparmobileortemenen.enduvironnemen.td'?cnaturel.................5de1.1.1repr?senPrincip.e.g?n?raldes.......syst?mes.......Com.-mo...Appro.......Le...................malheurs.....Le?o........51.61.1.2.Applications........s?lection...erception.de.........1.3.2.ts.............Exemples.ulti-mo.............17.de.so.c.....17.hes6.1.1.3.Dicult?s.rencon.tr?es....18.jet...............1.5...................19.:.ortunit.........20.s7.1.2.Syst?mes.de.lo.comotion............................Chapitre.de.mo.t.12.P.et.tation.l'en.t...............12.G?n?ration8d?placemen1.2.1.Le.syst?me.de.propulsion..................1.4.de.m.des...........................1.4.1.binaison8mo1.2.2senLerisyst?metrideesdirectionplanicateur.........1.4.2.c.comp.talistes.........................1.4.3.pro.EDEN.LAAS........9.1.2.3.Le.syst?me.de.susp.ension......19.Situations.hec.....................................1.5.1.exemple.les.d'Opp10y1.2.4.Exemples.de.rob.ots.mobiles.?.roues.p.our1.5.2lanlo?comotion.en.ext?rieur.......10.1.3.F.on.c.ti.o.n.nalit?s.de.na.vigation20.Conclusions.......................................22.2.ormalisme.la.de.de.d?placemen.vTabledes...mati?rR?sum?es.2.1.Notions.utilescomotionet.con.te.xte.du.formalisme..m...........en.acciden...caract?ristiques.o........................24.2.1.1deIn.tro.duction.au.diagnostic..Suivi.................62.....................Lo............24a2.1.2.Rapp.els.de.p3.2robabilit?s........47.FlatNav.....Na.oughNav.............59.es.....mo.........Roulemen......26.2.1.3.Mo.d?les.de.Mark.omov.cac.h?s3.4.................vigation...........................70.......3.1.228.2.2.P.ositionnemen.t.bibliographique..........mo.a.................Na.plat...........47.en.:........29512.2.1cDiagnostic.en.rob.otique.mobile.autonome......R?sum?.mo...........3.3.de..............29.2.2.262Conpurtr?le.actif.d'un.ro.v.er.par.MDP..P.................66.caract?ristiques.es...........de.des......33.2.2.3.Bilan..3.4.1.Lama...............3.4.2.Dala...............69.d'Hylos...............3.5......................34.2.3.Appro.c.he.prop.os?e43.Lam.......................................45.Les.des.n.vigation....................34.2.3.1.F.orm.ulation.classique.d'un3.2.1probl?mevigationd'estimationterrain.:.......................3.2.235vigation2.3.2terrainNotionst?d'observRation.et.de.mo.d?le.dynamique.dans.notre.application..3.2.3.de37hemins2.3.3.Estimation.conditionnell.e..........................3.2.4.des.des.d.....................6038Les2.3.4desObservlationscomotion:.informations.de.con.texte........................3.3.1.t............40.2.3.5.Informations.de.comp.ortemen.t.et.transitions......3.3.2.?ristaltisme........................40.2.4.Conclusion......3.3.3.des.des.d.....................67.Exemples.syst?mes.ulti-mo...........................68.Lo.de........42.Chapitre.3.Mo.des.de.d?placemen.t.3.1.Pr?sen.tation.des68plates-formesNa.de.................................3.4.3.comotion.2..................43.3.1.1.Dala......69.Conclusion.........................................viChapitre4Lecon...texteSurvA:.Donn?es.terra.in.4.1.Etat(de.l'artcciden.....p.....omp.......................................5.2...5.2.1...comotion...si.....T........73.4.1.1.P.erception.du5.4terrain.par.sim.ulation.d'action....forme.............Moniteur...102.......e73.4.1.2.Autres.m?thodedes....5.2.2.......87.........90.errain.......e.........Mise...................l'A..75.4.2.Cartes93de.dicul.t?.(5.4.2difmap.)......96.........5.4.4.........additionnels.........(.....................d'ecacit?76lo4.2.1)Construction.d'une.difmap.brute....de.............de...............V.p........76.4.2.2.F.usion..D?tection.de.D.............5.3.1...................91.forme.................5.3.3................77.4.2.3eillanceModed?le)probabiliste.d'observ.ation........Sources.R.............e...................Mise..78.4.2.4.D?coupage.en.r?gions..........................5.5.................100.lo.o..........79.4.3.Carte.classi?e......................85.Moniteur.d.la.comotion.LEM.....................86.Indicateurs.coh?rence.vitesses..............80.4.3.1.Classication.sur86attributsMonitoringglo?om?triques............................5.2.3.ersion.m.li?e....80.4.3.2.Classication.sur.attributs.de.texture................5.3.d'A.t.T.(.A.)............81.4.4.Donn?es.additionnelles....91.Princip.......................................5.3.2.en..................82.4.4.1.Carte.de.tra.v.ersabil.it?.a?rienne92.Illustration...................................93.Surv.de.ttitu.(.tt82.4.4.2.Donn?es.initiales.fournies.p.ar.un.op.?rateur........5.4.1.d'erreurs.our.oughNav..................82.4.5.Strat?gie95dePrincipna.vigation.?.long.terme..............................5.4.3.en..................83.4.6.Conclusion............97.Illustration...................................100.Moniteurs............................83.Chapitre.5.Les5.5.1moniteursdedcalisationeLmocde)5.1.Princip.e.des.moniteurs..............viiTabledesA.1..mati?r.es.5.5.2.Autres.moniteurs......2.......La...de.....Conclusions...........?.mouv.jet...appliqu?.........6.3.4.........tributions102.5.6.Syn.th?se.des.moniteurs....Annexes.............Annexe.......de.....Les.......123.m?tho.....n?cessaire.......sup.........ectiv102.5.7.Conclusion................P...........des...........de.......Estimation.o.....et.pro.........135.du.emen........103119Chapitrer?sultats6.In.t?gration.et.exp.?.rimen.tationsD?marc6.1deSyst?me.m.ulti-mo.des.de.lol'expcomo.ti.o.n.de.Lama....6.3.5...................p.1..............105.6.1.1.Observ.ation.du.con.texte..............126.ectiv.....................A.lo.3D..............105.6.1.2.CompA.2ortemendet.et.moniteurs........131.d.t.optique.........Hylos.e.B.1.R2M...................6.3.1.s?lection106mo6.1.3eectivIllustrationt...................6.3.2.premiers...............................6.3.3.he.construction.cette.de........107.6.2.Syst?me.m.ulti-mo123desDedeertisena.vigation.de.Dala......................123.La.ervision................108.6.2.1.F.onctionnemen.t.du.syst?me.m.ul124ti-moetdesersp.es.Con..................................108.6.2.2.Exp125?rimenDiscussiontations.a.v.ec.m.oni.teur.seul..........................3.ersp.es............110.6.2.3.Moniteurs.com.bin?s.et.observ.ations.x?es.par.un.op.?.rateur127.Annexe.M?tho.de.calisation.Odom?trie......111.6.2.4.Observ.ations.issues.de.la.difmap..................129.Estimation.l'attitu.gr?ce.l'IMU....................117.6.3.DiscussionA.3.visuelle.e.emen.(.dom?trie.)...............132.B.2.l.pro.R2M.Le.jet......................................119viii