Un défi majeur de la Robotique aujourd'hui est sans doute celui du robot personnel. Un objectif sous-jacent est de permettre à un robot mobile de naviguer de manière autonome dans un environnement de grandes dimensions en présence de public. Lors de son évolution, le robot doit pouvoir détecter et prendre en compte la présence d'humains dans son voisinage, par exemple pour les éviter, leur céder le passage, faciliter ou sécuriser leurs déplacements. Cependant, pour une interaction active, le robot doit également être capable de percevoir et d'interpréter leurs postures, leurs démarches ou leurs gestes. Dans ce but, nous souhaitons mettre en place un système de suivi visuel des mouvements humains à partir des caméras embarquées sur le robot. Une représentation 3D fruste de l'enveloppe corporelle est proposée à partir de considérations biomécaniques et anthropomorphes. La démarche consiste alors à recaler ce modèle dans les images obtenues en exploitant plusieurs indices visuels 2D (contours, couleur, mouvements) complétés par une reconstruction 3D éparse de la scène. Pour estimer les paramètres de situation et de configuration du modèle 3D, nous exploitons les techniques de filtrage particulaire, bien connues en suivi visuel. Des évolutions de l'algorithme générique de filtrage sont cependant envisagées afin de répondre plus efficacement au problème posé et de satisfaire des contraintes temporelles cohérentes avec le contexte applicatif. Afin d'aborder les problèmes de manière graduelle, deux contextes sont étudiés. Le premier, de type robotique ubitquiste, repose sur l'utilisation de caméras d'ambiance fixes proposant des points de vue différents et complémentaires de la scène à étudier. Le second, de type robotique mobile, exploite des caméras stéréoscopiques embarquées sur le robot.Ce travail a été effectué au sein du groupe Robotique Action Perception (RAP) du LAAS-CNRS.

Mes activités de recherche sont les fruits de plus de douze ans du travail principalement dans trois différents établissements, à savoir : TIRF à l'INPG, BMC au RIKEN et E3I2 à l'ENSIETA. Mes activités de recherche s'articulent autour de 3 axes principaux:<br /><br />1- Séparation de sources<br /><br />Nos contributions à la séparation de sources peuvent être résumées principalement par:<br /><br />A- Approches par blocs: Nous avons montré que ce système peut se ramener aux solutions des équations du second degré ou du 4ème degré. La séparation proprement dite est immédiate obtenue par une simple inversion de la matrice mélange. Nous avons publié cette approche dans IEEE Trans. on Signal Processing (Vol 44, n°3, 1996).<br /><br />B- Approches adaptatives: Dans cette approche, nous avons proposé une fonction de coût, basée sur un cumulant du 4ème ordre, dont la minimisation par un algorithme de gradient nous conduit à la séparation de deux sources, étude publiée à IEEE Trans. on Signal Processing (Vol 43, n°. 8, 1995). Plus tard et en utilisant une méthode de minimisation dite méthode de Levenberg-Marquardt, nous avons proposé une autre étude pour un nombre quelconque de sources, étude publiée à IEEE Trans. on Signal Processing (Vol 47, n°. 11, 1999).<br /><br />C- Approches géométriques: Nous avons proposé plusieurs algorithmes pour faire la séparation de plusieurs sources, étude publiée dans Signal Processing (Vol 82, 2002). En utilisant un réseau de neurones pour l'estimation des densités de probabilité, on a proposé une autre méthode de séparation publiée dans la revue IEICE Trans on Fundamentals of Electronics, Communications and Computer Sciences en 2001. Cette dernière étude a été complétée par une approche basée sur le principe de "Simulated Annealing" et un réseau de "Competitive Learning" et a été publiée dans NeuroComputing (Vol 49, 2002).<br /><br />D- Approches algébriques: En collaboration avec l'université de Marne la vallée, nous avons suggéré des méthodes de type sous-espace pour séparer un mélange convolutif. Nous avons montré que le mélange convolutif peut être réduit à un mélange instantané en utilisant seulement les statistiques de second ordre. Cette étude a été publiée dans IEEE Trans. on Signal Processing (Vol 48, 2000). Plus tard, nous avons proposé d'autres fonctions de coût dont la minimisation conduit à une estimation plus rapide des paramètres de mélange, Signal Processing (Vol 81, 2001).<br /><br />E- Algorithmes simplifiés: Pour certaines applications, les<br />signaux originaux (sources) inconnus sont caractérisés par des propriétés qui sont eux bien connues. Pour "la capacité auditive" d'un robot qui imite le comportement des humains, seuls les signaux audibles et intelligibles sont à traiter. En utilisant certaines propriétés de ces derniers signaux, nous avons proposé plusieurs approches qui ont été présentées dans plusieurs conférences internationales et une autre approche basée sur l'inégalité de Hadamard a été publiée dans IEICE volJ82-1999.<br /><br /><br />2- Développements statistiques La grande majorité de méthodes dites aveugles exploitent certaines propriétés statistiques de signaux. Nos contributions dans ce domaine se limitent à deux axes:<br /><br />A- Théorique: En étudiant certaines propriétés de l'auto-cumulant d'ordre quatre normalisé, i.e. l'aplatissement (mieux connu sous le terme anglais "Kurtosis").<br /><br />B-Pratique: En faisant une étude comparative entre différents estimateurs et en proposant plus tard certains estimateurs pour les statistiques d'ordre quatre (moments et cumulants).<br /><br />3- Guerre électronique: Lorsqu'on parle de la guerre électronique, on vise principalement l'interception de signaux électromagnétiques dont la totalité de paramètres sont mal-connus ou inconnus.<br /><br />A- "COMmunication INTelligence" & "ELectronique INTelligence": Mes contributions dans ce domaine étaient les fruits de deux collaborations avec deux chercheurs de notre laboratoire D. Le Guen et L. Collin dans le cadre d'un projet industriel, l'encadrement de la thèse de M. Pedzisz et de stages de DEA.<br /><br />B- Tomographie passive est utilisée dans certaines applications militaires dans le cadre de la surveillance maritime ou la guerre électronique dans une façon plus large. Dans cette étude, nous avons modifié et adapté les algorithmes existants en séparation aveugle de sources pour parvenir à faire la séparation de signaux acoustiques de diverses natures et origines (bruits de bateaux ou de crevettes, vocalise de baleine ou de mammifère marin, etc). En 2ème temps, nous avons optimisé les algorithmes ainsi développés pour les adapter à un canal acoustique sous-marin.

Les travaux présentés s'inscrivent dans le cadre des architectures logicielles de contrôle des AUV (Autonomous Underwater Vehicle). La commande d'un AUV est basée sur un ensemble de ressources informatiques embarquées et un ensemble de capteurs/actionneurs qui peut changer selon le type de mission confiée au robot (modification de la charge utile). Le robot est comparable à un "porte charge" adaptable à différentes tâches et par conséquent évoluant au grés des progrès technologiques et de l'apparition de nouvelles applications scientifiques.<br /><br />De plus, le besoin d'autonomie dans un environnement (milieu sous-marin) en constante évolution et souvent inconnu requiert de la part du véhicule d'être capable, à chaque moment, d'évaluer son état et l'état de son environnement afin de prendre les décisions cohérentes pour exécuter sa mission. La réalisation d'un tel véhicule autonome requiert une méthodologie de conception de son architecture logicielle/matérielle.<br /><br />Ici, nous présentons l'architecture développée au LIRMM pour l'AUV Taipan. Cette architecture est construite en respectant certains critères tels que la modularité, l'évolutivité et la réutilisabilité.<br /><br />L'architecture est construite à partir de composants indépendants appelés "modules". Ces modules possèdent un ensemble de ports entrée/sortie qui vont permettre l'établissement dynamique de flux de données/contrôle. Il est alors possible de programmer les modules séparément, de les modifier et de les tester avant de les assembler.<br /><br />L'architecture mixte proposée repose sur deux niveaux hiérarchiques: un niveau décisionnel comprenant un Superviseur Global et des Superviseurs Locaux (un pour chaque mode: autonome, téléopération, coopération) et un niveau exécutif basé sur un ordonnanceur et des modules.<br /><br />Un vocabulaire basé sur trois types de termes: les objectifs, les sous-objectifs et les modules est utilisé au sein de l'architecture pour exprimer l'intention (objectifs), les capacités du système (modules) et la manière dont les intentions vont être réalisées grâce aux capacités du robot (sous-objectifs).<br /><br />Le plus haut niveau, le superviseur global, est en charge de la gestion de la mission à un niveau stratégique. Les décisions relatives aux tâches robotiques à lancer à des dates précises, la planification de ces tâches sont prises à ce niveau. Il décompose la mission reçue de l'opérateur en une séquence d'objectifs envoyés au superviseur local. Le superviseur local vérifie la disponibilité des ressources, réagit aux événements immédiats (e.g. évitement d'obstacle). Il subdivise chaque objectif en sous-objectifs avant de les envoyer au niveau exécutif. Le niveau exécutif fonctionne de manière périodique. Plusieurs modules dans ce niveau sont coordonnés pour configurer les capteurs, calculer les lois de commandes et gérer les conflits liés à l'instrumentation. Pour assurer le respect des contraintes bas niveau (e.g. capteurs acoustiques interférents) un ordonnanceur est en charge de gérer en ligne l'activité des modules bas niveau.<br /><br />Pour illustrer les principaux aspects de notre approche, un exemple d'application a été développé et testé sur l'AUV Taipan.

Le manuscrit est organisé autour de 4 chapitres scientifiques et techniques. Le premier porte sur la radiolocalisation. Il en dresse un état de l'art en décrivant les mesures et le fonctionnement de systèmes de radiolocalisation sur la base des exemples du LORAN C et du GPS. Ces principes serviront aux modélisations du chapitre 4. Les amers utilisés par les systèmes de localisation ont été souvent peu considérés. Depuis quelques années et suite au progrès des techniques de cartographie et localisation simultanées, ils sont au centre des préoccupations de chercheurs. Ainsi dans le chapitre 3, je présente quelques types d'amers en cherchant à faire le lien avec l'information géographique et les bases de données navigables utiles pour leur gestion. Le chapitre 4 pose le problème de la localisation dynamique comme un problème d'observation d'état et décrit les différentes méthodologies que j'ai étudiées.<br>C'est le chapitre le plus méthodologique dans lequel je présente le plus de résultats. Enfin, le chapitre 5 présente l'application de mes travaux à l'aide à la conduite automobile.<br>Le document se terminera par une synthèse de mes contributions scientifiques et dressera des perspectives de recherche.

Ce document présente la majeure partie de mes activités de recherche depuis ma nomination à l'Université Louis Pasteur de Strasbourg en septembre 2000. Ces travaux concernent l'identification et la commande ; ils ont été conduits sur différents systèmes applicatifs : la machine asynchrone, les systèmes d'enroulement de bande et la robotique. Ils sont principalement de nature méthodologique ; c'est-à-dire qu'à partir de problématiques appliquées particulières, j'ai tâché de tirer les enseignements qui s'imposaient afin de proposer des solutions standards et génériques à un certain nombre de problèmes. <br /><br />Ce mémoire est organisé autour des trois systèmes applicatifs traités. A chacun d'entre eux est consacré une partie distincte. Puisqu'une grande partie des problématiques scientifiques traitées est transversale et abordée pour plusieurs systèmes, j'ai choisi de les introduire dans la première partie de ce rapport.

L'introduction des robots dans la vie quotidienne apporte un problème important qui "s'ajoute" au "défi standard" des robots autonomes : la présence d'hommes dans son environnement et le besoin d'interagir avec eux. Ce travail s'intéresse aux problèmes de l'interaction proche entre humains et robots, en se plaçant du point de vue des décisions de mouvement qui doivent être prises par le robot pour assurer un mouvement sûr, effectif, compréhensible et confortable pour l'homme. On présente un cadre général de planification de mouvement qui prend explicitement en compte la présence de l'homme. Ce cadre est matérialisé par deux planificateurs. Le premier, "Human-Aware Navigation Planner", est un planificateur de navigation qui raisonne sur la sécurité, la visibilité, la posture et les préférences de l'homme pour générer des mouvements sûrs et confortables pour l'homme. Le deuxième, "Human-Aware Manipulation Planner", est un planificateur qui traite les problèmes de transfert d'objet entre l'homme et le robot. Ce planificateur transforme le problème initial de planification de mouvement en un problème beaucoup plus riche de recherche d'un chemin "pour réaliser une tache" fournissant ainsi la possibilité de raisonner à un niveau d'abstraction supérieur. Les deux planificateurs sont intégrés dans deux plates-formes robotiques, Jido et Rackham, et validés à travers des études utilisateurs dans le cadre du projet européen COGNIRON.

Le probleme aborde dans ce mémoire est celui de la planification des mouvements d'un mobile a soumis a des contraintes cinématiques et dynamiques et se déplaçant dans un espace de travail dynamique w. Ce mémoire défend la thèse selon laquelle le probleme considère, connu pour être complexe, peut entre résolu de façon efficace lorsqu'il existe une structuration de w naturelle pour a, i.e. Lorsqu'il est possible de structurer w en un ensemble de zones libres a l'intérieur desquelles a peut se déplacer. Dans ce cas, le probleme peut être aborde suivant deux directions complémentaires: 1) la planification de chemin qui prend en compte les contraintes cinématiques de a et les obstacles fixes de w, et; 2) la planification de trajectoire qui prend en compte les contraintes dynamiques de a et les obstacles mobiles de w. Ce mémoire traite le cas d'une voiture dans le réseau routier. Les zones libres sont alors définies par les voies de circulation. A est soumis a une contrainte cinématique non-holonome qui l'oblige a se déplacer dans une direction perpendiculaire a l'axe de ses roues. De plus, le rayon de braquage, l'accélération et la vitesse de a sont limites. Nous commençons par présenter deux techniques de resolution propres a chacune des deux planifications mentionnées ci-dessus et bien adaptées au contexte dans lequel nous nous plaçons. Puis, nous montrons comment intégrer ces deux techniques au sein d'un système de planification de mouvement qui permet de résoudre efficacement le probleme considéré

Nous abordons trois aspects de la commande des robots: 1) la gestion de mouvements complexes de bras manipulateurs; 2) la prise en compte active de données de capteurs dans la gestion des déplacements; 3) la gestion d'un ensemble multi-capteurs et multi-effecteurs. Nous pressentons un générateur de trajectoires qui transforme une représentation externe compréhensible par un opérateur en une représentation interne utilisable par un algorithme d'asservissement. Nous utilisons le concept de commande gardée pour décrire des modifications de mouvements en fonction de données de capteurs. La garde (surveillance de capteurs) et la commande (modification de mouvement) sont deux processus s'exécutant en parallèle. La methode que nous développons reprend les principes proposes par Hoare concernant les processus séquentiels communicants. Nous montrons que la commande d'un ensemble multi-effecteurs et multi-capteurs peut être spécifiée a l'aide de processus séquentiels communicants. Nous proposons un ensemble de primitives permettant la prise en compte des commandes gardées et du parallélisme pour le contrôle des robots. Nous proposons également une implantation expérimentale d'un interpréteur de ces primitive

Le programme produit par un système de programmation automatique, est obtenu en planifiant séparément les opérations de saisie, transport et montage des objets, et en ignorant les incertitudes géométriques (introduisant des interdépendances entre les actions). L'approche de vérification-correction de programme s'appuie sur un modèle incluant une représentation des incertitudes et s'appuie sur une description des actions des robots

Présentation détaillée de la place de ce travail dans le cadre du projet PANDORE, de la définition du langage LM pour la description de taches de manipulation et d'assemblage, d'une analyse fonctionnelle de ce langage, du matériel mis en œuvre, de l'implantation actuelle de LM sur ce matériel et de l'expérimentation faite du matériel à travers le logiciel implanté.