La problématique SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) est un thème largement étudié au LAAS depuis plusieurs années. L'application visée concerne le développement d'un système d'aide au roulage sur aéroport des avions de ligne, ce système devant être opérationnel quelques soient les conditions météorologiques et de luminosité (projet SART financé par la DGE en partenariat avec principalement FLIR Systems, Latécoère et Thales). Lors de conditions de visibilité difficile (faible luminosité, brouillard, pluie...), une seule caméra traditionnelle n'est pas suffisante pour assurer la fonction de localisation. Dans un premier temps, on se propose d'étudier l'apport d'une caméra infrarouge thermique. Dans un deuxième temps, on s'intéressera à l'utilisation d'une centrale inertielle et d'un GPS dans l'algorithme de SLAM, la centrale aidant à la prédiction du mouvement, et le GPS à la correction des divergences éventuelles. Enfin, on intègrera dans ce même SLAM des pseudo-observations issues de l'appariement entre des segments extraits des images, et ces mêmes segments contenus dans une cartographie stockée dans une base de données. L'ensemble des observations et pseudo-observations a pour but de localiser le porteur à un mètre près. Les algorithmes devant être portés sur un FPGA muni d'un processeur de faible puissance par rapport aux PC standard (400 MHz), un co-design devra donc être effectué entre les éléments logiques du FPGA réalisant le traitement d'images à la volée et le processeur embarquant le filtre de Kalman étendu (EKF) pour le SLAM, de manière à garantir une application temps-réel à 30 Hz. Ces algorithmes spécialement développés pour le co-design et les systèmes embarqués avioniques seront testés sur la plate-forme robotique du LAAS, puis portés sur différentes cartes de développement (Virtex 5, Raspberry, PandaBoard...) en vue de l'évaluation des performances

Le travail présenté dans cette thèse est divisé en deux parties. Dans la première partie, un modèle pour la représentation unifiée de problèmes d'optimisation numérique est proposé. Ce modèle permet de définir un problème d'optimisation indépendamment de la stratégie utilisée pour le résoudre. Cette représentation unifiée est particulièrement appréciable en robotique où une solution analytique des problèmes est rarement possible. La seconde partie traite de l'exécution de mouvements complexes asservis sur un robot humanoïde. Lors de la locomotion d'un tel système, les glissements des points de contact entraînent une dérive qu'il est nécessaire de corriger. Nous proposons ici un modèle permettant d'asservir une tâche de locomotion sur un capteur externe afin de compenser les erreurs d'exécution des mouvements. Un modèle est également proposé permettant de représenter des séquences de tâches de locomotion et de manipulation asservies. Enfin, une méthodologie pour le développement d'applications robotiques complexes est établie. Les stratégies proposées dans le cadre de cette thèse ont été validées sur la plate-forme expérimentale HRP-2.

La réalisation d'une mission robotique se décompose usuellement en trois étapes: la planification, i.e. le choix des taches à réaliser, le séquencement, i.e. la détermination du timing et de l'ordre de réalisation des tâches, et finalement l'exécution du plan de tâches. Pour les systèmes redondants tels que les robots humanoïdes, la tâche (dans le sens de fonction de tâche) détermine une commande sur une partie du robot, permettant ainsi la réalisation simultanée de plusieurs tâches à l'aide d'un formalisme de pile de tâches. Cependant, les mécanismes d'ordonnancement classiques ne gèrent pas les cas où le mouvement est déterminé par un ensemble de tâches hiérarchisé: pour ces robots, la phase d'ordonnancement est éludée et l'exécution se base directement sur la plan de tâches donné par le planificateur. Le but de cette thèse est de réintroduire cette phase d'ordonnancement, tout en maintenant le rôle central de la tâche. Dans un premier temps, la continuité de la commande fournie par la pile de tâches est étudiée. En particulier, nous mettons en évidence les discontinuités accompagnant la réalisation d'événements discrets (à savoir l'insertion, le retrait et l'échange de priorité de tâches), puis proposons et comparons plusieurs méthodes de lissage. Ensuite, nous présentons une méthode permettant d'optimiser une séquence de tâches donnée en modifiant le timing et la paramétrisation des tâches, tout en respectant les contraintes liées à l'environnement. Enfin, une nouvelle utilisation de la flexibilité de la fonction de tâche consistant à adapter une séquence de tâches aux préférences d'un utilisateur humain est illustrée. Ces résultats sont illustrés sur un robot humanoïde.

Pas de résumés en français

Le contexte de la robotique de service est caractérisé par la présence de l'homme dans l'espace de travail du robot. Les mouvements de ces robots ne doivent perturber ni la sécurité de l'homme ni son confort. D'un point de vu planification de mouvement, le planificateur doit d'une part éviter de heurter l'homme ou l'environnement et d'autre part adapter les limites cinématiques du robot en fonction de la proximité de l'homme. A chaque niveau du système (planification et exécution/contrôle), le robot doit garantir la sécurité et le confort de l'homme. Nous proposons une approche de la planification et du contrôle de mouvement basée sur des trajectoires polynomiales. Dans une première partie, nous présentons un générateur de trajectoires qui limite la vitesse, l'accélération et le jerk. Il génère des trajectoires composées de suites de segments de courbes cubiques. Le cas mono-dimensionnel est d'abord présenté puis étendu au cas multi-dimensionnel. Dans une deuxième partie, nous proposons d'approximer les trajectoires par des suites de triplets de segments de courbes cubiques. Cette méthode permet de calculer des trajectoires respectant une erreur maximale donnée. Ces générateurs de trajectoire sont intégrés au planificateur de chemin et produisent des trajectoires directement exécutables. Une application originale de l'approximation permet d'approximer une trajectoire définie dans l'espace cartésien par une trajectoire définie dans l'espace articulaire. Cette approche simplifie la structure du contrôleur du robot. La présence de l'homme dans l'espace de travail du robot nécessite une adaptation des trajectoires pendant l'exécution. Nous proposons une méthode pour adapter la loi de mouvement de la trajectoire multidimensionnelle pendant l'exécution. Ces travaux, menés dans le cadre du projet européen DEXMART et du projet ANR ASSIST, ont été intégrés et validés sur les plateformes Jido et PR2 du LAAS-CNRS.

Un robot agit sur son environnement par le mouvement, sa capacité à planifier ses mouvements est donc une composante essentielle de son autonomie. La planification de mouvement est un domaine de recherche qui a largement été étudié durant ces dernières décennies. L'objectif de cette thèse est de concevoir des méthodes algorithmiques performantes permettant le calcul automatique de trajectoires pour des systèmes robotiques complexes dans le cadre de la robotique d'assistance. Ce champ applicatif émergeant de la robotique autonome apporte de nouvelles contraintes et de nouveaux défis. Les systèmes considérés qui ont pour vocation de servir l'homme et de l'accompagner dans des tâches du quotidien doivent tenir compte de la sécurité et du bien-être de l'homme. Pour cela, les mouvements du robot doivent être générés en considérant explicitement le partenaire humain raisonant sur un modèle du comportement social de l'homme, de ses capacités et de ses limites afin de produire un comportement synergique optimal. Dans cette thèse nous étendons les travaux pionniers menés au LAAS dans ce domaine afin de produire des mouvements considérant l'homme de manière explicite dans des environnements encombrés. Des algorithmes d'exploration de l'espace des configurations par échantillonnage aléatoire sont combinés à des algorithmes d'optimisation de trajectoire afin de produire des mouvements sûrs et agréables. Nous proposons dans un deuxième temps un planificateur de tâche d'échange d'objet prenant en compte la mobilité du receveur humain permettant ainsi de partager l'effort lors du transfert. La pertinence de cette approche a été étudiée dans une étude utilisateur. Finalement, nous présentons une architecture logicielle qui permet de prendre en compte l'homme de manière dynamique lors de la réalisation de tâches de manipulation interactive. Cette architecture, développée en collaboration avec un partenaire du projet européen Dexmart a également été évaluée dans une étude utilisateur.

L'objet de cette thèse est le développement et l'étude d'algorithmes de planification de mouvements optimaux pour des systèmes anthropomorphes sous-actionnées et hautement dimensionnés, à l'instar des robots humanoïdes et des acteurs virtuels. Des méthodes de planification aléatoires et de commande optimale sont proposées et discutées. Une première contribution concerne l'utilisation d'une méthode efficace de recherche dans un graphe pour l'optimisation de trajectoires de marche planifiées pour un système modélisé par sa boîte englobante. La deuxième contribution concerne l'utilisation de méthodes de planification aléatoires sous contraintes afin de planifier de façon générique des mouvements corps-complet de marche et manipulation. Enfin nous développons une approche algorithmique qui combine des méthodes de planification aléatoires sous contraintes et de commande optimale. Cette approche permet de générer des mouvements dynamiques, rapides, et sans collision, en présence d'obstacles dans l'environnement du système.

Ce travail apporte sa contribution au problème de la reconstruction et de l'exploration de scènes dans un contexte de vision active. À la base du processus de reconstruction, nous avons choisi une méthode qui consiste à contraindre les mouvements de la caméra de manière à obtenir une estimation précise et robuste de primitives géométriques paramétrables telles que les segments et les cylindres. À cet aspect {\em continu} du processus de reconstruction que constitue l'estimation des paramètres des primitives, il est nécessaire de définir des stratégies de reconstruction et d'exploration de la scène que l'on supposera composée de segments, polyèdres et cylindres. Cette reconstruction est de caractère {\em événementiel} et est pilotée par la découverte de nouvelles primitives dans l'image. L'approche que nous avons définie consiste à sélectionner automatiquement les informations images pertinentes puis à focaliser successivement la caméra sur les différentes primitives de la scène afin de les reconnaître et ensuite de les reconstruire. La première étape de l'exploration, qui inclut la reconstruction 3D, permet de reconstruire de manière incrémentale l'ensemble des primitives qui apparaissent dans le champ de vision de la caméra. Nous avons appelé cette phase {exploration locale car elle ne fait appel qu'à des informations disponibles localement. Elle repose sur une approche de prédiction~/~vérification d'hypothèses gérées à l'aide de réseaux Bayesiens. Cette approche permet d'obtenir une représentation de plus haut niveau des objets considérés tout en traitant les problèmes locaux d'occlusion. Par contre, quand toutes les primitives précédemment observées ont été reconstruites, une stratégie différente doit été mise en oeuvre afin de focaliser la caméra sur des zones de la scène n'ayant pas encore été observées. Cette étape d'exploration globale permet d'assurer la complétude de la reconstruction. Cette méthode repose sur l'optimisation par ICM multi-échelle d'une fonction de coût adéquatement modélisée qui prend en compte les obstacles de la scène. Finalement, les algorithmes développés ont été spécifiés et mis en \oe uvre par le langage synchrone \signal\ permettant de l'intégration au sein du même formalisme, \signal\ et \signalgti, de la dualité continu / événementiel inhérente à ce type d'algorithme. Les méthodes que nous avons développées ont été mises en oeuvre sur la cellule de vision robotique de l' Irisa. Elles permettent de reconstruire en temps réel de façon précise, robuste, complète et totalement autonome, un environnement 3D composé de plusieurs primitives.

L'objectif de ces travaux porte sur la navigation de robots autonomes sur de grandes distances dans des environnements extérieurs dynamiques, plus précisément sur le développement et l'évaluation de fonctions avancées de perception, embarquées sur des véhicules se déplaçant en convoi sur un itinéraire inconnu a priori, dans un environnement urbain ou naturel. Nous avons abordé trois problématiques : d'abord nous avons exploité plusieurs méthodes de l'état de l'art, pour qu'un véhicule A, équipé d'un capteur stéréoscopique, apprenne à la fois une trajectoire et un modèle de l'environnement supposé d'abord statique. Puis nous avons proposé deux modes pour l'exécution de cette trajectoire par un véhicule B équipé d'une simple caméra : soit un mode différé, dans lequel B charge toute la trajectoire apprise par A, puis l'exécute seul, soit un mode convoi, dans lequel B suit A, qui lui envoie par une communication HF, les tronçons de la trajectoire au fur et à mesure qu'ils sont appris. Enfin nous avons considéré le cas des environnements évolutifs et dynamiques, en traitant de la détection d'événements depuis les images acquises depuis un véhicule mobile: détection des changements (disparition ou apparition d'objets statiques, typiquement des véhicules garés dans un milieu urbain), ou de la détection d'objets mobiles (autres véhicules ou piétons).

L'approche classique de conception des robots obéit à une organisation interne du type sentir-planifier-agir, proposée dès l'apparition des problématiques d'Intelligence Artificielle. Elle implique le développement amont de modèles d'interaction entre le robot et son environnement et d'algorithmes de traitement du flux sensoriel conduisant, à terme, à la génération de commandes motrices. Dans ce contexte particulier, les caractéristiques de l'environnement perçues par le robot dérivent fondamentalement des traitements du flux sensoriel implémentés par le roboticien. Elles peuvent donc se révéler inadaptées vis-à-vis de l'interaction sensorimotrice réelle que le robot entretient avec le monde. Une autre approche, développée dans cette thèse, consiste à repenser la problématique de la perception en robotique. Elle s'inspire de la théorie des contingences sensorimotrices qui propose de concevoir notre perception non pas comme un phénomène se produisant dans le cerveau mais comme une interaction que nous entretenons avec l'environnement. Cette perspective, radicalement opposée aux postulats classiques, induit que percevoir n'est pas inné mais s'acquiert par la découverte des relations sensorimotrices qui sous-tendent notre expérience du monde. L'objectif de cette thèse est d'appliquer ce nouveau paradigme au champ de la robotique. Plus précisément, les travaux menés visent à déterminer comment un robot naïf peut découvrir et caractériser l'espace dans lequel son corps et l'environnement sont plongés au travers de l'analyse de son seul flux sensorimoteur. Pour se faire, une approche sera développée sur la base de la compensabilité des variations sensorielles générées par les déplacements du système robot/environnement, concept initialement introduit par H.Poincaré. Elle permettra à nos robots de déterminer la dimension de l'espace géométrique extérieur puis d'en construire une représentation interne, permettant à terme d'interpréter intrinsèquement leur expérience et de guider leur action.