Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes du CNRS

Olivier Lefebvre

Description

Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8

• mémoire

Thèse préparée au Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes du CNRS en vue de l'obtention du Doctorat de l'Institut National Polytechnique de Toulouse par Olivier Lefebvre Navigation autonome sans collision pour robots mobiles nonholonomes Soutenue le 12 juillet 2006 devant le jury composé de : M. Florent Lamiraux Directeur de thèse M. Tarek Hamel Rapporteur M. Fawzi Nashashibi Rapporteur M. Pierre Rouchon Rapporteur M. Jean-Paul Laumond Président M. Javier Minguez Examinateur LAAS-CNRS 7, Avenue du Colonel Roche 31077 Toulouse Cedex 4

• jean-paul pour les moments de discus- sion


• méthodes d'évitement d'obstacles sans trajectoire de référence


• évitement réactif d'obstacles pour robots mobiles


• navigation autonome sans collision pour robots mobiles


• déformation de trajectoire pour systèmes nonholonomes


• suivi de trajectoire


• obstacle


• déformation de trajectoire


• rapporteur

Sujets

• Mémoire
• Institut national polytechnique de Toulouse
• Lefebvre

Informations

• Publié par: profil-feym-2012
• Publié le: 01 juillet 2006
• Nombre de lectures: 32
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 1 Mo

Extrait

Thèse
préparéeau
Laboratoired’Analyseetd’ArchitecturedesSystèmesduCNRS
envuedel’obtentiondu
Doctoratdel’InstitutNationalPolytechniquedeToulouse
par
OlivierLefebvre
Navigationautonomesanscollisionpourrobots
mobilesnonholonomes
Soutenuele12juillet2006devantlejurycomposéde:
M.FlorentLamiraux Directeurdethèse
M.TarekHamel Rapporteur
M.FawziNashashibi
M.PierreRouchon Rapporteur
M.Jean PaulLaumond Président
M.JavierMinguez Examinateur
LAAS CNRS
7,AvenueduColonelRoche
31077ToulouseCedex4iiRemerciements
Surcettepagequiseraprobablementlaplusconsultéedecemémoire,jetienstoutd’abordà
remercier les personnes qui ont bien voulu se laisser convaincre par ma motivation et qui m’ont
permisderéalisercettethèse,FlorentLamirauxetRajaChatila.
Je remercie chaleureusement les rapporteurs de mon mémoire de thèse, Tarek Hamel, Fawzi
NashashibietPierreRouchon,ainsiquelemembreinvitédujurydesoutenance,JavierMinguez.
JesouhaiteànouveauremercierFlorentquifutmondirecteurdethèse;poursonorganisation
et la disponibilité qui en découle, pour tout ce qu’il a pu m’apprendre, pour avoir tour à tour
supporté et consolidé mes modestes talents mathématiques et pour sa sympathie, "qui ne gâche
rien".
Pour leur aide, leurs conseils et leur soutien, merci aux membres dits «permanents» des
groupes 2I, RIA puis GEPETTO. Merci notamment à Jean Paul pour les moments de discus
siondontjeressortaistoujourslesidéesplusclaires.
Parce que nos échanges ne furent pas exclusivement scientifiques, un grand merci à tous les
«apprenti chercheurs» avec qui j’ai passé ces trois bonnes années à bronzer devant les écrans
d’ordinateurousurlessommetspyrénéens.
Merci enfin à Ester pour sa relecture ortho typographique minutieuse, et pour m’avoir ac
compagnédanscetteaventure.ivTabledesmatières
1 Introduction 1
1.1 Contexte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Navigationautonomedesrobotsmobiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2.1 Planificationdemouvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.2 Localisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.3 Suividetrajectoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.4 Évitementréactifd’obstacles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.5 Parking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.6 Intégrationdesdifférentesfonctionnalitésdelanavigation . . . . . . . . 3
1.3 Spécificitésdenotreapproche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3.1 Noscontributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.2 Plandelecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2 Notationsetdéfinitions 9
2.1 Espacesetpositions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Distances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 Systèmedynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3 Évitementréactifd’obstaclespourrobotsmobilesnonholonomes 15
3.1 Étatdel’art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.1.1 Méthodesd’évitementd’obstaclessanstrajectoirederéférence . . . . . . 16
3.1.2avecunetrajectoirederéférence . . . 17
3.2 Déformationdetrajectoirepoursystèmesnonholonomes . . . . . . . . . . . . . 18
3.2.1 Déformationdetrajectoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2.2 S’éloignerdesobstacles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2.3 Calculd’unedéformationadmissibles’éloignantdesobstacles . . . . . . 22
3.2.4 Priseencomptedesconditionsauxlimites . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2.5 Calculdelatrajectoiredéformée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2.6 Respectdescontraintesnonholonomes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2.7 Algorithmedeladéformationdetrajectoire . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2.8 Priseencomptedesbornessurlesentréesdusystème . . . . . . . . . . 30
3.3 Applicationdelaméthodededéformationdetrajectoire:lerobotCycab . . . . . 32
3.3.1 Modèlecinématique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32vi TABLEDESMATIÈRES
3.3.2 Calculspourladéformationdetrajectoire . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3.3 Exemplede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.4 Calculdesinteractionsrobot obstacles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.4.1 Potentieldansl’espacedesconfigurations . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.4.2 Optimisationdescalculsdesinteractions . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.5 Optimisationdelatrajectoiresuivantd’autrescritères . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.5.1 Respectd’unecontraintesurlacourburedurantleprocessusdedéforma
tiondetrajectoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.5.2 Déformationd’unetrajectoirenon admissibleversunetrajectoireadmis
sible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4 Parkingréférencésurdesamers 53
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2 Étatdel’art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.2.1 Asservissementvisuel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2.2 Planificationssuccessives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.3 Tâchedeparkingréférencésurdesamers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.3.1 Définitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.3.2 Formulationduproblème . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.4 Calculdelaconfigurationdeparking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.4.1 Modélisationprobabiliste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.4.2 Miseencorrespondance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.4.3 Miseàjourdelapositiondeparkingducapteur . . . . . . . . . . . . . . 62
4.4.4 Miseàjourdelaconfigurationdeparking . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.4.5 Extensionàplusieurscapteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.5 Déformationdetrajectoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.5.1 Conditionsauxlimites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.6 ApplicationaurobotHilare2avecremorque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.6.1 Tâchedeparking:parkingrelativementàunquaidedébarquement . . . 67
4.6.2 Résolutiondelatâchedeparking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5 Suividetrajectoire,évitementd’obstaclesetlocalisation 77
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2 Suividetrajectoireetévitementréactifd’obstacles . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.2.1 Suividetrajectoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.2.2 S’arrêtersurunetrajectoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.2.3 Détectiondesobstacles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.2.4 Architecturepourlesuividetrajectoireetl’évitementd’obstacles . . . . 84
5.2.5 Conditionsgarantissantl’absencedecollisionlorsdusuividelatrajectoire 85
5.3 Intégrationdelalocalisationglobale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.3.1 Localisationglobale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88TABLEDESMATIÈRES vii
5.3.2 Architecturepourlesuividetrajectoireaveclocalisationglobale . . . . . 89
5.3.3 Conditions garantissant l’absence de collision pour les systèmes expo
nentiellementstables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.3.4 Casréalistesavecunvéhiculearticulé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.4 Architecturepourl’intégrationdusuividetrajectoire,del’évitementd’obstacles
etdelalocalisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.4.1 Moduledesimulationdusystème . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.4.2 Architecturepourlesuividetrajectoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6 Résultatsexpérimentaux 99
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.2 Architecturelogicielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.3 Portagesurplusieursrobots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.3.1 LeroverDala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.3.2 LerobotCycab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.4 Parkingr