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Modélisation et contrôle des machines complexes

 

 

  1. MODELISATION ET CONTROLE DES MACHINES COMPLEXES

Thèmes scientifiques :

*Contrôle de véhicules


mots clés : localisation, planification de mouvement, commande réactive, commande robuste.

*Coopération entre entités intelligentes

mots clés : assistance à la personne handicapée, robotique semi-autonome, modes de commande, comportement de type humain, intelligence collective, systèmes multi-agents.

*Mécatronique

mots clés : conception généralisée, prototypage virtuel, robot parallèle, analyse modale, corps déformables, microrobotique appliquée à la chirurgie.

Responsables : Etienne Colle

Tarek Hamel (Contrôle de véhicules terrestres et aériens)

Gilbert Pradel (Coopération de robots)

Madeleine Pascal (Mécatronique)

Participants :

Naoufel Azouz MCF U. Evry (depuis 1996)

Lotfi Béji MCF U. Evry (depuis 1998)

Laredj Benchikh MCF U. Evry (depuis 1998)

Yasmina Bestaoui MCF U. Evry (depuis 1999)

Etienne Colle Pr IUT. Evry (depuis 1992)

Elisabeth Connessons MCF U. Evry (depuis 1999)

Simon Galerne MCF IUT Evry (depuis 1992)

Tarek Hamel MCF U. Evry (depuis 1997)

Philippe Hoppenot MCF U. Evry (depuis 1998)

Pierre Joli MCF U. Evry (depuis 1994)

Saïd Mammar MCF U. Evry (depuis 1995)

Madeleine Pascal Pr U. Evry (depuis 1992)

Gilbert Pradel MCF (ENS Cachan) (détaché du LESiR – ENSC depuis Sept. 1997)

Doctorants :

Vincent Artigue : 10/97 Bourse CIFRE

Vahé Baghdassarian : 10/97 ATER

Abdelhamid Chriette : 10/98 Bourse Algérienne

Hrant Guevorguian : 02/98 Bourse Franco-Arménienne

Nicolas Séguy : 10/98 Allocataire MRT

Omar Ait Aider : 10/99 ATER

Yves Rybarcsyk : 01/00 Allocataire MRT

Sébastien Glasser : 10/00 Bourse INRETS

Anna-Paola Leitao : 10/00 Bourse INRETS

Salim Hima : 10/00 Vacataire enseignement

Thèses soutenues ( 97-00) :

Lotfi Béji : 07/97 MCF (U. d’Evry)

Mahieddine Benreguieg : 01/97 Ingénieur (Société AXLOG)

Enrique Gonzales : 04/97 Ingénieur

Philippe Hoppenot : 10/97 MCF (U. d’Evry)

Adolfo Suares : 06/97 Ingénieur

Yachou Brahim : 06/97 Ingénieur

Elisabeth Connessons : 12/98 MCF (U. Evry )

Post-Doctorants :

Tatiana Gagarina : 01/99 ATER depuis 09/00.

Sandrine Kévorkian : 10/00 ATER depuis 09/00.

Coopérations et Groupes de travail :

Monash University : Contrôle d’engins volant

LAAS CNRS : Contrôle de robots mobiles

UTC : Contrôle d’hélicoptère à modèle réduit (une thèse en co-encadrement)

AFM : Assistance pour les personnes handicapées

CERMA : Réalisation d’un aspirateur autonome, robot de nettoyage, d’un robot parallèle

INRETS : Systèmes de transport intelligents

GDR Automatique

Université Simon Frazer (Burnaby, Canada) : Application de la modélisation des structures à la micro-chirurgie.

Hopital Tenon,  LERISS, LIIA : Assistance par ordinateur pour le traitement des anévrismes de l’aorte.

IFRATH : Institut fédératif d’assistance aux personnes handicapées

Université Rennes II : Laboratoire de psychologie expérimentale

IRISA : Commande référencée vision

INTRODUCTION

Les recherches concernant le thème " Modélisation et contrôle des machines complexes " portent sur la problématique de la machine intelligente. Avec le développement et l’instrumentation des générations successives de robots au CEMIF, la robotique mobile (élargie aux véhicules terrestres et aériens) est au centre des activités de recherche du groupe. En effet, la robotique a constitué et constitue toujours pour le laboratoire, au-delà du cadre applicatif, un support de réflexion et une structure d’accueil pour le développement des concepts et d’outils. Notre but est de permettre au robot,

La coopération homme-machine est étudiée dans le cadre d’une assistance robotisée à des personnes handicapées moteur ou agées. Le laboratoire est à l’origine de la création de l’IFRATH, regroupement de laboratoires intéressés par l’assistance technique (cf. Annexe 3).

Dans ce processus décisionnel menant une structure articulée à l’exécution d’une tâche, il est important de prendre en compte les paramètres liés à la conception de cette structure dans sa partie Automatique et dans sa partie Mécanique. C’est l’objet de la conception dite " Mécatronique " dont la problématique est centrée sur la Modélisation des structures articulées déformables, l’identification des paramètres mécaniques (inertiels, frottement) , et le contrôle de ces mêmes structures à partir d’un état totalement ou partiellement observé.

C’est pourquoi nous structurons notre activité suivant 3 axes principaux :

3.1. CONTRÔLE DE VÉHICULE

Ce thème comporte deux sous-thèmes complémentaires : l’un orienté localisation et modélisation de l’environnement, l’autre orienté contrôle des véhicules. En effet, un robot mobile intelligent devant exécuter des missions dans un environnement quelconque doit être capable de percevoir l’environnement qui l’entoure et de raisonner sur les données acquises par ses capteurs. Cet environnement, même s’il est structuré, n’est pas conçu de manière à faciliter les tâches du robot. Il est variable et évolutif et nécessite, de la part du robot, une grande autonomie décisionnelle pour un fonctionnement robuste. Le robot doit donc percevoir et modéliser l’environnement dans lequel il évolue afin :

Ce thème évolue vers le contrôle de véhicules routiers et vers la robotique mobile 3D (Contrôle d’engins volants).

Les principaux résultats obtenus au cours de ces dernières années, sont présentés ci-après.

3.1.1. Localisation et reconstruction de l’environnement 2D

3.1.1.1. Localisation d’un robot mobile à l’aide de capteurs à ultrasons et d’odométrie

Dans le contexte difficile de capteurs de caractéristiques métrologiques moyennes, la fonction " localisation " présente trois niveaux de comportement adaptés aux différentes situations envisageables. Chaque comportement fait appel à des algorithmes particuliers, peu sensibles au fort taux de mesures aberrantes et à la présence d’obstacles par définition non modélisés.

Tant que la situation est jugée " normale ", le système de localisation est basé sur l’odométrie qui remet à jour la position du robot sous contrôle des mesures des capteurs à ultrasons qui bornent l’erreur odométrique systématique. Les résultats sont présentés exhaustivement dans [HOP97T]. Ils ont donné lieu à deux publications : [HOP97aC] et [HOP98R]. Sans obstacle, une erreur jusqu’à 10% sur le diamètre des roues est corrigible ; avec obstacle, cette erreur admissible est réduite à 4.5%. Une simulation basée sur des trajectoires réelles avec des mesures réelles préenregistrées nous a permis de mettre au point les algorithmes reproduisant presque fidèlement la réalité.

Lorsque, à cause d’une erreur odométrique trop importante (systématique au dessus de 4.5%), le système de localisation en ligne ne suffit pas à garantir la position du robot, une localisation est donc indispensable. Elle se base uniquement sur un relevé panoramique de mesures ultrasonores. Elle suit une démarche en trois étapes. La première consiste en un pré-traitement des données : la pièce étant modélisée sous forme de segments, l’idée est de segmenter l’image ultrasonore en utilisant la transformée de Hough. Puis, une recherche de plusieurs positions possibles est effectuée. Enfin, parmi toutes ces positions, une est choisie en fonction de différents critères. Deux positions sont d’abord trouvées, symétriques par rapport au centre de la pièce rectangulaire. Dans une pièce avec obstacle, l’erreur maximale est de 40cm et 20° (sans lever l’ambiguïté d’orientation). Pour distinguer la bonne position, le seul élément disponible est la porte de la pièce qui rompt sa symétrie. La technique des réseaux de neurones, bien adaptée à la détection de forme, a été retenue pour cette tâche, réalisée en lien avec l’équipe travaillant sur la modélisation par apprentissage. Les résultats montrent que ce choix est bon : aucune erreur de position n’est générée.

Dans ce même contexte, l’étude menée dans [SUA97T] pour la localisation concerne la fonction repositionnement. La méthode proposée initialement par Crowley et Léonard & Durand-Whyte, reposant sur l’extraction d’amers géométriques et conduisant à la construction d’une représentation globale de l’environnement destinée à la localisation s’avère trop lourde vis-à-vis des contraintes fixées par le cahier des charges. La méthode que nous avons étudiée consiste à construire autant de cartes locales qu’il y a de positions, quantifiées par une grille dont les éléments ont la taille du robot. Les segments relevés puis, en cours de mesure, corrigés, sont stockés dans la cellule de la grille de repositionnement depuis laquelle ils sont perçus. Dans chaque cellule, il y a une représentation locale qui, seule est utilisée, sans fusion avec des segments trouvés depuis une autre cellule. Des objets virtuels peuvent être pris en compte (objets réels vus après réflexions multiples sur un mur par exemple). Un coefficient de fiabilité est attribué à l’attribut mémorisé, il résulte de la composition d’un coefficient dit de forme - déterminé à partir de l’écart entre trois mesures prises sur cet objet - et d’un coefficient de distance. Les mesures sont prises pendant que le robot est en mouvement ; ce dernier point montre que la procédure reste compatible avec la puissance de calcul (faible) du système embarqué [SUA95aC], [SUA95bC].

3.1.1.3. Reconstruction d'environnement domestique

L'objectif est ici d'effectuer une cartographie d'un environnement de type intérieur de bâtiment à partir d'un système de perception se résumant à un télémètre ultrasonore monté sur une tourelle rotative. Nous nous sommes affranchis de la problématique de calibration du capteur et d'inversion de son modèle d'erreur en caractérisant directement le résultat de la perception. La largeur du faisceau ultrasonore rend difficile l'estimation de la position du robot, les objets apparaissant dilatés en position angulaire et latérale. Nous y avons remédié en fusionnant des échos proches en segments plus représentatifs de la position des objets [VAS97C]. Les différentes techniques comparées apportent des améliorations sensiblement équivalentes sur l'estimation de la position du robot. L'orientation des segments dépendant de l'angle de vue, et donc de cette position, nous avons amélioré son estimation en corrigeant les données odométriques lorsque deux segments issus de prises de vues différentes apparaissent confondus. Nous avons élaboré une démarche ascendante, partant d'une carte de segments et aboutissant à un modèle où la nature des objets identifiés est mise en relation avec les actions liées à la stratégie de navigation et d'exploration. Nous validons, dans un premier temps, nos travaux sur un environnement domestique standard : les murs forment des angles droits, les tables et les chaises ont quatre pieds. L'appariement de segments de cartes correspondant à des positions différentes du robot délivre un indice sur la nature de la surface détectée (plane ou de faible courbure, objet ponctuel ou discontinuité de profondeur) identifié par la mise en concurrence de trois méthodes de discrimination (discrimination paramétrique avec rejet en ambiguïté, discrimination par les k plus proches voisins utilisant la théorie de l’évidence de Dempster-Shafer et discrimination neuronale [VAS98C]) utilisant l'orientation et la position relative de ces segments. Puis, un modèle géométrique est élaboré par la reconstruction, à partir de ces indices, de primitives de types plans, coins de la pièce, angles de bords d'armoires, pieds de table ou de chaises. Les qualités présentées par les objets reconstruits (indices et primitives) sont ensuite étudiées dans le but de qualifier ou non ces objets en tant qu’amers utilisés par le système de localisation absolue d’un robot mobile [VER97C]. Les résultats obtenus sur l'extraction des indices sont satisfaisants mais trop conditionnés par la phase d'apprentissage supervisé. Nous avons étudié d'autres méthodes de classification faisant appel aux techniques neuronales (cartes de Kohonen, Radial Basis Fonction) afin d'affiner la définition de l'espace de représentation.


Enfin, l'environnement étant reconstruit pas à pas, nous avons étudié des méthodes de fusion et de mise à jour des différents modèles (cartes de segments, primitives, modèle sémantique). Les résultats obtenus ont démontré la possibilité d'extraire une connaissance de niveau d'abstraction élevé à partir d'un système sensoriel minimaliste [VER98T],[CON00R]. Nous examinons maintenant les liens entre les stratégies de déplacement, la localisation et la reconstruction pas à pas : ayant détecté et identifié un des constituants d'un objet, le robot doit décider quel déplacement effectuer pour renforcer la certitude quant à son identification et achever sa caractérisation, sachant que le domaine de visibilité des amers précédemment identifiés contraint les possibilités de localisation absolue, et donc la stratégie d'exploration. Ce travail présente une forte interaction avec le thème 1.2.

3.1.2. Contrôle de déplacements des véhicules : approches réactives

3.1.2.1. Aides floues à la navigation d'un robot mobile

Le travail effectué ici [BEN97T] est en forte interaction avec le thème " traitement de données imprécises et incertaines " et il a servi de base expérimentale pour la validation de méthodes d'optimisation en ligne des SIF (cf.§1.2.1).

L'objectif est d'utiliser des techniques basées sur la logique floue pour réaliser une navigation réactive d'un robot mobile. Nous nous plaçons dans le cadre du contrôle des déplacements d'un robot mobile dans un environnement partiellement connu et nous utilisons une méthode hybride pour exploiter les avantages des stratégies de navigation globale et locale. La connaissance a priori de l'environnement est mémorisée afin, d'une part, de générer un chemin global et, d'autre part, de pouvoir comparer la scène réelle à la scène mémorisée. Deux méthodes d'actions réflexes, n'utilisant que les informations capteurs, sont appliquées au robot pour naviguer à vitesse réduite lorsque le taux de reconnaissance de l'environnement mémorisé est insuffisant. La première, classique, est celle du champ de potentiel artificiel. Son avantage est sa simplicité d'implémentation et la rapidité de son exécution, mais elle possède des limites telles que les minima locaux et les oscillations dans des milieux encombrés. Pour y remédier, un réglage automatique des coefficients basé sur des techniques de la logique floue a été réalisé. Ceci a, d'une part, éliminé les puits de potentiel et, d'autre part, généré un meilleur lissage de trajectoire. Mais le problème des oscillations dans les endroits étroits et passages de porte n'est pas résolu de cette manière.

Nous avons donc développé une deuxième méthode basée sur la combinaison de comportements élémentaire. Le premier comportement, inspiré de la méthode du champ de potentiel artificiel, est constitué d'une fusion d'un suivi du milieu de l'espace libre, vu par le robot, et d'une convergence vers le but. Ces comportements ont été implémentés grâce à des SIF sur deux robots mobiles, Khepera et RMI, pour un passage de porte. Cette expérimentation a donné des résultats intéressants du point de vue de la robustesse vis-à-vis des mesures capteurs et de la versatilité sachant que RMI est dix fois plus grand que Khepera et que les capteurs sont de natures différentes. Cependant, cette solution ne permet pas au robot de s'échapper de certaines situations de blocage créées lors du contournement d'obstacles concaves. Pour résoudre ce problème, un autre comportement élémentaire, de type suivi de mur, est développé. Associé à la création de buts intermédiaires de transition, ce dernier permet au robot de contourner sans blocage les obstacles concaves. Par la coordination de tous ces comportements élémentaires, la méthode proposée assure la navigation dans des environnements inconnus avec présence de tous types d'obstacles (convexes ou concaves). Cet ensemble de travaux a donné lieu à plusieurs publications en congrès et revues : [BEN97aC] [BEN97R] [BEN97bC] [BEN98C] [MAA99L] [MAA00R].

3.1.2.2. Planification de mouvements

Dans le cadre d’un projet de réalisation d’une plate-forme mobile capable de passer un aspirateur sur la totalité de la surface accessible d’une pièce non connue a priori, nous avons, en collaboration avec le CERMA (Centre de transfert de l’Université d’Evry) et un industriel, réalisé un système à faible coût. Son système sensoriel est constitué de l’odométrie et d’un capteur à ultrasons monté sur une tourelle. L’environnement dans lequel évolue le robot est une pièce avec des tables, des chaises et des meubles, il n’est pas connu a priori. Les fonctions essentielles du robot sont l’exploration de terrain pour établir le modèle de la pièce et le remplissage de surface pour passer l’aspirateur, ainsi que la localisation qui doit bien sûr être absolument maîtrisée pour assurer le bon fonctionnement des précédentes [CUE95C], [CUE96C].

Une méthodologie entièrement originale d’exploration de terrain a été mise au point [GON97T] : il s’agit de la stratégie dite de zones complémentaires qui est un algorithme récursif. L’espace est divisé en zones élémentaires connexes, l’espace inconnu est le complément de l’espace déjà exploré et connu, l’exploration pour la détection de nouvelles zones se fait depuis la totalité de la frontière, la procédure de balayage de nouvelles zones est répétée récursivement. Une zone élémentaire est divisée en carreaux d’une grille dont la taille est celle du robot.

Le produit est un graphe dont les nœuds sont des zones élémentaires et les arcs les liens de connexité entre les zones. Ce graphe constitue le modèle topologique. Il est montré que l’exploration est totale quelle que soit la configuration des lieux. Il est utilisé pour l’opération de remplissage de surface, appelée aussi labourage, et pour la planification des déplacements du robot d’une zone élémentaire à une autre. La robustesse de l’approche vis-à-vis des incertitudes dues aux capteurs a été montrée. La cohérence du modèle est maintenue en ajoutant les informations issues des explorations locales.

Afin de finir le balayage en s’approchant des obstacles, une grille d’occupation, plus fine que la précédente, est établie. Elle donne, pour chaque cellule, un état d’occupation établi de manière histogrammique à partir d’un modèle de mesure du capteur ultrason. Enfin, un modèle des obstacles par segments est établi. Il comporte des segments fiables qui correspondent à des détections d’obstacles et qui conduisent à une stratégie de contournement prédictif. Des segments dits " néants " ferment les contours, ils conduisent à une stratégie de contournement réactif [GON95C], [GON96aC], [GON96bC].

3.1.3. Contrôle de déplacements des véhicules : approches classiques 

3.1.3.1. Contrôle basé sur les modèles géométriques

Comme nous l’avons indiqué plus haut, le problème de navigation des robots mobiles est rendu difficile par les phénomènes de dérive du véhicule lors de son déplacement. En effet, contrairement aux robots manipulateurs, dont la base demeure fixe dans l’espace de travail et dont la position de l’organe terminal peut être déterminé de manière précise à partir de la mesure des liaisons successives, il n’est pas possible de connaître précisément la position du robot en mesurant l’angle de rotation des roues. Ce phénomène, dû principalement au glissement des roues sur sol, produit un écart croissant entre la trajectoire de consigne et la trajectoire réellement effectuée par le véhicule. Bien qu’il soit possible de corriger la dérive du robot au moyen des données provenant de capteurs extéroceptifs, le phénomène de dérive reste incontournable. Néanmoins, les méthodes de localisation du robot (comme celle présentée plus haut) produisent des valeurs estimées tenant compte d’une erreur qu’il est possible de borner. Pour faire face à ce problème, nous avons cherché à déterminer des lois de contrôle robuste, par rapport aux erreurs de localisation, pour la navigation. Plus précisément, nous nous sommes intéressés à la stabilisation du véhicule (de type char ou voiture) autour d'une trajectoire, d'un chemin nominal et bien sûr autour d'une configuration fixe lorsqu'ils sont définis par rapport à un ensemble d'amers utilisés par le véhicule pour se localiser. Les lois de commande à utiliser sont donc nécessairement en boucle fermée sur cette localisation relative. On sait, par ailleurs, que les algorithmes de localisation lorsqu'on les utilise dans la pratique, engendrent des estimations nécessairement imprécises [HAM97I].

Le problème pratique traité consiste à garantir la robustesse de lois de commande par rapport aux erreurs d'estimation de la localisation, plus précisément :

Peut-on garantir que le véhicule soumis à une loi de contrôle (stabilisante dans le cas idéal) entachée d'erreur se stabilise toujours autour de la trajectoire ou de la configuration spécifiée et si oui, quelle est la précision de la régulation ?

a. Commande par analyse de Lyapunov

Pour répondre à cette question, nous avons commencé par étudier la robustesse d'un ensemble de lois de contrôle significatives développées ces dernières années et qui sont obtenues par synthèse de fonctions de Lyapunov. Nous avons montré que tout système bouclé dont la stabilité est prouvée seulement par l'intermédiaire d'une fonction de Lyapunov dont la dérivée est semi-définie négative, ne nous permet pas de résoudre le problème posé. La réponse proposée et faisant l'originalité de notre travail, consiste à définir des domaines d'attraction entourant l'objectif visé en élaborant des fonctions de Lyapunov dont la dérivée est définie négative dans le cas nominal. Ainsi, nous avons présenté un ensemble de lois de contrôle originales permettant d'exhiber de telles fonctions de Lyapunov dans le cadre de la poursuite d'une trajectoire, du suivi de chemin et de la régulation autour d'une configuration fixe que nous avons regroupés dans [HAM97I].

Un algorithme d'évaluation de la précision du contrôle, lorsqu'on utilise des lois de commande dans lesquelles on effectue une contre réaction d'une localisation estimée, a été proposé.

L'établissement de cette précision nous a donc permis de définir des critères réalistes afin de planifier une mission réalisée en boucle fermée avec des moyens de perception dont la précision est donnée [LAM98C]. Enfin, nous avons testé toutes ces lois de contrôle tant en simulation que sur une plate-forme réelle en l’occurrence le robot du laboratoire HeuDiaSyC ROBUTERTM. Ces lois ont été implantées sur la plate-forme en utilisant une méthode de localisation par ultrasons, permettant d’obtenir une valeur estimée de localisation du robot sur la base du filtrage de Kalman étendu. Les résultats obtenus ont montré l'efficacité et les bonnes performances des lois de commandes établies prouvant ainsi l'adéquation entre les résultats théoriques et pratiques [HAM98R].

b. Commande par mode glissant

Afin d’améliorer les résultats précédents, nous nous sommes associés à l’équipe RIA du LAAS et l’équipe HeuDiaSyC UMR CNRS 6599, en collaborant respectivement avec P. Souères et D. Meizel. Deux résultats ont été fournis :

c. Commande par retour d’état permettant à la fois le suivi de chemin et l’évitement d’obstacle

Toujours en collaboration avec le LAAS, nous avons proposé un résultat d'une très grande utilité pratique et donne une réponse partielle au problème ouvert : Comment faire le lien entre l'évitement d'obstacle et la commande par retour d'état ? L'idée est fondée sur un concept nouveau concernant l'introduction d'une surface de glissement dont les paramètres sont susceptibles de modéliser l'environnement [SOU98aC]. Ces travaux ont été poursuivis [DZU98ST] en développant une loi de contrôle, à retour d'état, permettant au véhicule de réaliser deux tâches à la fois (une tâche principale et une tâche secondaire) dans un environnement encombré. La première consiste en un suivi de chemin résultant d'un planificateur de mission. La seconde consiste en l'évitement d'obstacle pendant la phase transitoire. Ce résultat a été validé sur le simulateur du robot miniature Khepera du CEMIF [SOU98bC].

L'ensemble des lois de commande que nous avons présenté jusqu'ici est basé sur une localisation absolue du robot par rapport à un repère de référence fixe de l'environnement. L'état est supposé mesuré à chaque instant et les calculs sont effectués par rapport à ce référentiel.

Plus récemment, nous avons commencé à nous intéresser à la commande référencée capteur pour les robots mobiles.

d. Commande référencée capteurs des robots mobiles

Il a été démontré que l'utilisation d'une caméra montée sur une platine ou un bras, permet d'utiliser les techniques d'asservissement visuel pour commander les robots mobiles. Cette problématique se trouve en lien direct avec l'étude sur la commande des robots mobiles que nous avons menée jusqu'ici. Comme nous l’avons expliqué plus haut, cette activité est relativement nouvelle dans notre équipe. C’est pourquoi nous nous sommes investis en premier lieu dans le développement de stratégies de commande référencée capteur pour le déplacement d'un robot mobile (de type char ou de type voiture). Plus particulièrement, nous avons développé un ensemble de primitives référencé vision, à partir des informations fournies par une caméra montée sur un bras fixé sur le véhicule, tel que le déplacement du robot vers une cible, le suivi d'un objet en mouvement et le suivi d'une marque au sol [CHR98ST]. Ce travail est poursuivi en thèse [CHR-T] pour la commande d’un modèle réduit d’hélicoptère.

3.1.3.2. Génération de mouvement

La première originalité de ce travail réside dans l’obtention d’un modèle dynamique dans l’espace cartésien. Cette propriété est importante à la fois pour la planification et la génération de trajectoires. Bien qu’il y ait eu un grand engouement dans la communauté robotique pour la génération de chemin, la génération de mouvement, a par contre, été délaissée. Cette étape concerne le calcul des consignes à fournir aux actionneurs. Le système de génération de chemin a pour but de calculer la trajectoire que doit suivre le mobile dans le plan. Ce système associe une relation entre les deux abscisses curviligne et temporelle. Les positions, vitesses et accélérations de consigne peuvent, alors, être calculées [BES99Ca], [BES99Cb]. En général, on utilise une vitesse trapézoïdale sur le chemin, ce qui ne convient qu’à des chemins rectilignes. La génération de mouvements a été abordée en intégrant des contraintes dynamiques et la courbure du chemin que suit le véhicule [BES00Ca]. Des algorithmes de suivi de trajectoires ont également été proposés. Krzyzstof Kozlowski, de l’Université de Poznan (Pologne), s’est montré intéressé par ce travail et a proposé d’implanter cet algorithme de génération de trajectoires ainsi que la commande, sur le robot à motorisation différentielle de son équipe. A cet effet, une collaboration a été signée au cours de l’année 2000.

3.1.3.3. Contrôle basé sur les modèles dynamiques (véhicules routiers)

Ces travaux sont menés en collaboration avec l’INRETS depuis 1995 dans le cadre du projet système de transports intelligents.

L’objectif de ces recherches est de réaliser des lois de contrôle longitudinal et latéral du véhicule. Indépendamment de l’automatisation de la conduite, qui constitue la phase finale du projet, les applications à plus ou moins court terme sont nombreuses. On y distingue :

Les lois de contrôle développées font appel aux méthodes de commande robuste, par rapport aux erreurs de modélisation, basées sur les Inégalités Matricielles Linéaires (LMI), l’optimisation H¥ , les modes glissants et la passivité. Ces méthodes présentent l’avantage d’adresser les problèmes de stabilité et de performances pendant les phases de synthèse des lois de commande. Les lois de commande réalisées présentent une bonne invariance des performances et de la stabilité vis-à-vis des variations des paramètres (masse, vitesse, adhérence) mais aussi une bonne réjection des perturbations (vents latéraux, bruits de mesure, courbure de la route,…) [MAM98bC], [MAM98cC], [MAM98fC]. Certains points sont développés ci-dessous.

a. Inégalités Matricielles Linéaires (L.M.I)

De nombreux problèmes de contrôle des systèmes, bien que n'ayant pas de solution algébrique facilement calculable peuvent être convertis sous forme de problèmes d'optimisation convexes pour lesquels des techniques de résolution existent. De nombreuses contraintes sur la stabilité ou les performances peuvent être réécrites sous forme de LMI. Nous nous intéressons donc à cette nouvelle approche et plus particulièrement à la re-formulation des problèmes de robustesse de stabilité et de performance pour la commande H¥ [MAM98dC], [MAM98eC].

b. Commande par séquencement de gains

Un correcteur linéaire invariant unique peut rarement remplir l'ensemble des objectifs de performance et de robustesse sur la totalité du domaine de fonctionnement du système pour lequel il a été synthétisé. Certains systèmes peuvent être caractérisés par un modèle de structure fixe mais dont certains paramètres physiques varient avec le temps (la vitesse d'un véhicule, la masse, le coefficient d'adhérence). Si ces paramètres sont mesurables, est-il possible de synthétiser un correcteur dont la structure serait elle aussi fixe mais dont les paramètres varieraient en temps réel en fonction de la variation des paramètres du système ? Il est clair que cette approche permettrait d'avoir un gain important en performance et en stabilité. C’est pourquoi, nous nous sommes intéressés au développement de ce type de correcteur pour la robotique en général et pour le contrôle d'un véhicule en particulier sous un aspect déterministe [MAM98fC] et par logique floue [MAM98cC] [MAM98eC].

Comme précédemment cité, les lois de commande développées peuvent être intégrées dans différents systèmes d’aide à la conduite. De plus, les recherches menées dans ce domaine nous ont permis d’acquérir une bonne maîtrise de la dynamique des véhicules routiers. Ces connaissances seront aussi très utiles pour le développement d’autres systèmes ou la compréhension du comportement du conducteur et de ses réactions. Actuellement, nous nous intéressons au développement de nouvelles stratégies de contrôle par mode glissant et par optimisation linéaire et non-linéaire.

3.1.4. Contrôle latéral par correcteur à deux degrés de liberté

Nous avons proposé de décomposer le contrôle latéral d'un véhicule sous forme d'un problème de rejet de perturbation pour le suivi de voie et d'un problème de poursuite pour le changement de voie. Cette décomposition permet d'utiliser le concept de contrôle à deux degrés de liberté avec suivi de modèle de référence. Il est alors possible de synthétiser un correcteur scindé en deux parties permettant le suivi de modèle de référence robuste aux différentes variations de paramètres. Nous avons alors remarqué que ce concept peut aussi bien être utilisé dans le cas de l'automatisation complète de mode latéral mais aussi pour l'assistance à la conduite où un couple additionnel permet de donner au conducteur une impression de véhicule toujours sûr. Pour le cas de l'automatisation complète, cette approche a été utilisée avec succès dans [MAM99Ca], [MAM99Cb]. Le cas de l'assistance à la conduite a été abordé depuis l'année dernière. Les résultats obtenus sont très encourageants. Ils ont été publiés dans [MAM00Ca].

Les approches de commande robuste précédemment développées sont en cours d'extension au contrôle de véhicules à remorque.

d. Détection et correction de défauts

Aujourd'hui, l'automatisation de la conduite apparaît comme un moyen de réduire l'insécurité des routes. Elle est certainement une des réponses aux besoins croissants de l'augmentation potentielle des capacités des voiries autour des grandes villes. On peut espérer par ce biais, selon le degré d'automatisation, réduire ou éviter les accidents liés à l'homme. D'autre part, le faible nombre d'accidents, (50 pour 100 millions de véhicules kilomètres) comparé au nombre important d'incidents (plus de 1000 incidents incluant les défaillances véhicules), montre que l'homme est très efficace et a une grande capacité de perception et de réaction. De ce fait, l'automatisation complète ou même partielle de la conduite n'aura de sens que si les procédures développées sont sûres en fonctionnement. On ne peut en effet envisager une sécurité moindre que celle d'aujourd'hui.

L'axe de recherche privilégié est basé sur la synthèse de lois de commandes robustes et n'a de sens que si ces lois sont tolérantes aux défauts, tolérantes, au sens où les véhicules doivent disposer d'un mode de fonctionnement dégradé ou non, permettant la poursuite des objectifs fixés (suivi de voie, maintien de la distance de sécurité, du temps de parcours) et dans le pire des cas, permettre un arrêt en sécurité. Il est donc nécessaire d'établir une procédure de contrôle commande sûr de fonctionnement. Ici le mot sûr est à prendre au sens où il faut pouvoir détecter, localiser les défauts et reconfigurer la loi de commande suite aux défauts réellements présents sur le système.

Ce thème de recherche est mené en collaboration avec un laboratoire de l’INPG. Nous avons à ce jour développé une technque de contrôle intégrant la détection et de l'isolation des défauts. Le correcteur est synthétisé sous la triple contrainte de performance de la loi de commande, de l'estimation des défauts et de l'isolation. les résultats obtenus ont été publiés dans [MAM99Cc], [MAM00Cb] et [MAM00Cc]. Nous engageons, actuellement, nos réflexions à la généralisation de cette technique à une grande classe de système non-linéaires.

3.1.4. Contrôle de véhicules aériens

3.1.4.1. Pilotage automatique d'hélicoptères à modèle réduit

Après avoir traité les problèmes de contrôle de robots mobile à roues en général, nous nous sommes lancés, depuis 2 ans déjà, dans la commande de systèmes plus complexes en l'occurrence la commande des engins volants. En effet, les avions, les dirigeables et les hélicoptères sont des systèmes très peu abordés dans la littérature et très peu de résultats en commande non linéaire ont été apportés. La raison principale expliquant cela est qu'une représentation simple de la dynamique du comportement complet d'un hélicoptère, par exemple, comportant tous les modes de vol n'existe pas car la dynamique du système résulte principalement de la nature différente des diverses forces aérodynamiques dans les différentes conditions de vol. Par ailleurs, une approche raisonnable du problème du contrôle consiste à considérer chaque condition de vol comme un problème à part. La dynamique d'un hélicoptère pour des manœuvres proches du vol plané est probablement la plus simple. Plusieurs raisons expliquent cela : les forces aérodynamiques dues à la vitesse du vent relatif sont négligeables ; les angles de battement qui produisent les moments de rotation pour le tangage et le roulis sont des fonctions algébriques des angles du plateau cyclique. Ceci n'est pas vrai en présence de vent relatif. L'étude du système pour des manœuvres proches du vol plané est importante pour des missions telles que le vol stationnaire, le suivi de trajectoire lente, le décollage ou encore l'atterrissage. Dans ce nouveau thème, j'ai proposé, en collaboration avec le Laboratoire Heudiasyc et le Département ‘Dep. of Elec. and Comp. Sys. Eng.’ de l’université de Monash Australie quelques résultats originaux. Ils sont décrits dans la liste suivante :

 

3.1.4.2. Pilotage automatique de dirigeables souples

Après avoir été oublié pendant plusieurs décennies, les dirigeables connaissent un regain d’intérêt. En effet une automatisation de plus en plus poussée, les dirigeables ont trouvé un nouveau champ d’application, dont le plus rentable semble être le projet de la sky-station pour des applications en télécommunications. Le CEMIF-SC est l’un des premiers laboratoires en France à s’être investi dans l’étude des dirigeables automatisés de faible dimension.

Les premières études que nous avons menées dans ce thème sont très récentes est concernent principalement la recherche d’un modèle dynamique incluant les principaux phénomènes aérodynamiques pour les différents modes de vol et tenant compte du type d’actionnement. En effet, selon le mode de propulsion, les modèles ont des propriétés différentes. On aboutit en général à des systèmes sous-actionnés. Les premiers résultats de ce travail, on fait l’objet d’une publication invitée [BES00C].

3.2. Coopération entre entités intelligentes

3.2.1. Coopération entre humain-machine : application à l’assistance de personnes handicapées

Ces travaux sont subventionnés par l’AFM, Association Française contre les Myopathies, cf. annexe 3. Ils présentent une forte interaction avec le thème Réalité Virtuelle.

3.2.1.1. Objectif

 La restauration partielle ou complète de la fonction manipulation de la personne handicapée est assurée par un système robotique semi-autonome constitué d’un bras manipulateur monté sur un robot mobile. Le principe est de favoriser la coopération homme machine pour commander à distance ce système.

Figure 3 – 1 : Architecture du systèm.

L’équipe pluridisciplinaire s’appuie sur deux thésards. O. Aitader possède une formation en sciences appliquées et Y. Rybarszyk est issu des sciences cognitives. Ce dernier est co-encadré par D. Mestre Directeur de recherches au laboratoire CNRS de sciences cognitives de Marseille.

D’autre part une collaboration avec le laboratoire de psychologie expérimental de Rennes 2, permet de " débroussailler " certains aspects de la coopération homme machine comme " la prise de décision  dans des situations anormales" [ALD97S], [FRE98S] ou " les stratégies de commande de l’opérateur humain ".

L’interface homme machine est développée avec l’équipe de M. Mallem du CEMIF LSC qui travaille sur les concepts développés en réalité virtuelle.

3.2.1.2. Description

L’émergence de solutions robotiques dans les tâches d’assistance aux personnes handicapées sont réalistes sous deux conditions, le coût du système d’assistance et le respect du principe même de l’assistance. En effet, le système ne doit pas " faire à la place de " mais compenser les déficiences de la personne. Dans les faits, ces conditions imposent la mise en place d’une coopération humain-machine entre les deux entités que sont l’homme et le robot d’assistance.

Chaque entité possède des moyens de perception, de décision et d’action mais présentant des performances différentes qui peuvent variées dynamiquement surtout en ce qui concerne la personne handicapée( fatigabilité, motivation, …). L’objectif est la réalisation d’une mission par interaction des activités des deux entités. Notre recherche se place dans cette problématique et plus précisément ce qui est appelé " allocation dynamique de tâches ". Ce projet intègre deux aspects principaux : le déplacement du robot mobile d’assistance [HOP97T] et la manipulation d’objet à l’aide du bras manipulateur. La commande du système à distance implique l’utilisation d’une IHM basée sur les concepts développés en réalité augmentée et en réalité virtuelle (collaboration avec l’équipe RV du Cemif LSC dirigé par M. Mallem, cf §2.1.1.2. fig II.6).

A l’heure actuelle, le déplacement du système robotique dans un environnement intérieur de type appartement est opérationnel mise à part la localisation. Nous avons abordé depuis le début de l’année 2000 le problème de la saisie à distance d’objet par le bras manipulateur.

 

Figure 3 – 2 : Prototype du robot

3.2.1.3. Autonomie

Parmi les fonctions nécessaires au déplacement du robot mobile : planification, navigation (cf 3.1.2.) la localisation n’est pas fiable si on se limite aux seuls capteurs odométriques et ultrasonores (cf 3.1.1). Nous développons actuellement un algorithme monovision basé sur un modèle partiel de l’environnement. Deux cas sont traités. Le premier considère que l’odométrie donne la situation du robot connue par rapport au repère de travail de manière imprécise. Il est donc nécessaire d’effectuer un recalage régulièrement. Dans le deuxième cas le robot est perdu et doit se localiser sans l’aide des données odométriques. L’environnement est partiellement modélisé ( mur, coin arête, gros meubles). La caméra est modélisée. La précision recherché en position est d’une dizaine de centimètres et en rotation inférieur au degré. Après acquisition et traitement de l’image pour en extraire les primitives, l’étape d’appariement entre le modèle de l’environnement et les primitives permet de constituer un ensemble de paires (coordoonnées 3D dans le modèle, coordonnées 2D dans l’image). La connaissance du modèle de la caméra et de cet ensemble de paires permet d’évaluer la situation de la caméra puis du robot. Mis à part les deux premières étapes, la difficulté provient essentiellement du faible nombre de paires. L’une des voies retenues est de développer un algorithme itératif capable d’accepter des données incomplètes [COL00R][HOP00cC].

 

3.2.1.4. Comportement de type humain [HOP00]

Pour faciliter la commande du système nous suivons deux approches :

La méthodologie suit 4 étapes :

  1. étude des stratégies humaines pour effectuer une opération (neurosciences)

  2. modélisation de ces stratégies, c’est à dire en extraire les principes fondamentaux (neurosciences)

  3. mise en oeuvre d’un comportement automatique du robot basé sur ces principes. C’est généralement le résultat d’un compromis entre le réalisme et les contraintes notamment technologiques (robotique).

  4. évaluation de l’apport dans la conduite du système (psychologie expérimentale) par des expériences réalistes permettent d’obtenir des résultats statistiquement exploitables.

Cette méthodologie a permis de développer les modes de commande, automatiques et partagés, permettant la planification et la navigation nécessaires au déplacement du robot mobile.

3.2.1.5. Interface humain-machine

L’interface, basée sur les concepts du système ARITI, est adaptée à un système complexe composé d’un bras manipulateur embarqué sur un robot mobile (cf 2.1) et à la commande par une personne handicapée[OTM00cC].

3.2.2. Coopération de robots et modélisation qualitative de l’environnement

Ces travaux sont la suite naturelle de ceux menés depuis plusieurs années en collaboration avec le laboratoire LESiR (ENS Cachan). Ces travaux communs ont principalement porté sur la navigation de robots mobiles et la reconnaissance d’environnement par réseaux de neurones. Une convention établie avec le LESiR a permis le détachement au CEMIF-LSC de G. Pradel.

3.2.2.1. Coopération de robots

Ce thème s’intéresse à l’exécution autonome d’une mission confiée à un groupe de robots et à la coopération robots-robots pour l’exécution collective d’une mission. Le domaine d’application envisagé est l’aide active à une personne handicapée moteur ou à mobilité réduite à l’intérieur de l’appartement qu’elle occupe, c’est-à-dire dans un environnement initialement inconnu mais structuré. Cette aide souvent envisagée sous la forme de mise à disposition de services de proximité comme une meilleure motorisation du fauteuil, une ergonomie améliorée des interfaces avec les effecteurs prend ici la forme de services distants assurant l’exécution autonome de missions de transport d’objets, de manipulation à distance, de déplacement d’objets, …

L'exécution des services est organisé autour d'un projet d'architecture matériel baptisé AMAGRA (Architecture Multi Agents pour un Groupe de Robots Autonomes) mettant en oeuvre un nombre réduit de robots mobiles.

De nombreux problèmes sont soulevés par ce type d’application comme :

et, pour une équipe de robots, les missions peuvent être :

Comme pour les autres travaux liés à l’assistance aux handicapés menés dans ce thème, le coût des robots doit être maîtrisé et intervient comme une contrainte majeure dès l’origine de l’étude. Les robots mobiles doivent donc être des machines simples, faible coût, pouvant évoluer dans l’environnement sans que celui ci soit équipé de balises ou de repères spécifiques. La personne est aussi impliquée dans le système informatique d’assistance qui lui est fourni. Elle désigne ou compose une mission pour le groupe de robots. Le système analyse la mission et émet une proposition à la persone pour son exécution, proposition accompagnée des explications sur l’exécution proposée. En dernier recours, cette solution est acceptée ou refusée par la personne handicapée. En cas de refus, ou bien la mission est annullée ou bien la mission se déroule en téléopération. Une autre solution pouvant être envisagée est une nouvelle analyse de la mission avec des paramètres modifiés.

Les travaux qui démarrent cette année ont pour objectif l’étude du mécanisme de décision qui va conduire un groupe de robots à effectuer une mission collective au profit du handicapé.

On s’intéresse maintenant à la modélisation de l’émergence d’une décision collective à l’intérieur d’un groupe d’agents. Un cadre d’application est la robotique mobile collective : comment des robots doués de compétences différentes peuvent ils arriver à élaborer ensemble une décision pour l’exécution d’une mission ?

Dans une première phase, on s’intéressera aux divers travaux en cours sur l’émergence. En particulier, comment T. Ray, dans son programme " Tierra ", à l’aide de ses " créatures " évoluant et interagissant dans une " soupe " peut-il modéliser le phénomène d’émergence ? La machine PROTEAN développée par S. Yoshii met en oeuvre des machines de Turing universelles dans un milieu borné pour modéliser l’auto-organisation d’un programme. Et si ce programme n’était autre qu’une image d’une décision ? D’autres voies doivent encore être envisagées : celles basées sur des études éthologiques, lois d’évolution associées à un theorem prover, propagation de contraintes, génération automatique de solutions comme on peut le faire pour des jeux de test et lancement de ces solutions dans un simulateur, ... En tenant compte des contraintes spécifiques liées à la robotique mobile collective et on se propose de dégager un modèle pouvant s’appliquer à la résolution de missions simples (exemple : déplacement en groupe dans un environnement inconnu). C’est dans cet objectif qu’un stage de DEA et deux projets de magistère EEA de l’université Paris XI-Orsay vont s’effectuer.

3.2.2.2. Architecture multiagents de AMAGRA

Dans le cadre de l’application visée, le véhicule doit être muni d’un certain nombre de fonctions de base, appelés aussi comportements, nécessaires pour qu’il assure ses missions. Le modèle global adopté est basé sur un paradigme multi-agents hétérogènes. Les études menées jusqu’à lors ont essentiellement permis de doter les robots des fonctions élémentaires sans lesquelles il leur est impossible d’effectuer leurs missions. On notera plus particulièrement l’utilisation de réseaux de neurones pour un agent de navigation réactive fournissant l’ordre de navigation à appliquer de manière immédiate. Pour suppléer cet agent en cas de défaillance, il a été choisi de créer d’autres agents de navigation émettant l’ordre de navigation à partir d’une représentation de l’environnement sous forme de champ de potentiel [JIN97T]. Cette complémentarité a permis de limiter la taille de la base d’apprentissage, la durée d’apprentissage du réseau de neurones. Ces agents ont été créés pour traiter des informations d’entrée de type télémétrique issues d’un capteur laser panoramique. Ils ont été également employés avec succès pour des capteurs télémétriques ultrasoniques [CAV97ST]. Une expérience simple de poursuite de cible a été effectuée et a prouvé la possibilité d’utiliser cette structure d’agents dans le déplacement d’une patrouille de robots en file indienne [IVAS98bC] avec séparation des éléments fixes de l’environnement et de la cible mobile. La structure d’agent à réseaux de neurones a été aussi utilisée pour classifier l’environnement courant parmi les 11 les plus représentatifs de ceux qui peuvent se présenter.

3.2.2.3. Modélisation qualitative de l’environnement

Pour pallier les échecs éventuels de cette architecture à réseaux de neurones, il a, comme pour la navigation, été décidé de créer un agent dont les compétences seront compléméntaires mais dont l’architecture est basée sur des lois d’évolution agissant sur une numérisation du domaine de visibilité du robot. Ces lois d’évolution proches de celles utilisées dans les automates cellulaires permettent d’extraire les divers amers (murs, fins de murs, angles de murs, ouvertures), de vérifier l’extraction qrace à des règles de voisinage et finalement de décrire qualitativement l’environnement à l’aide d’une suite ordonnée d’amers appelées fresque. La figure 3 – 3 montre un exemple de reconstruction de l’environnement. Les figures 3–3a à 3–3c montrent dans l’ordre l’environnement tel qu’il est numérisé à partir des mesures de distances fournies par le capteur, et tel qu’il est rendu exploitable après traitement. De cet environnement sont extraits les angles (Fig 3-3d) et les fins de mur (Fig 3-3e). A partir de ces informations auxquelles s’ajoutent la localisation des ouvertures, des murs diagonaux, ... on procède à une validation de la séquence de ces amers à partir de règles de voisinage, une représentation cyclique de l’environnement appelée fresque est élaborée. Un exemple de fresque se trouve sur la figure 3-3f.

De gauche à droite :

haut: a) mesures initiales; b) grille réorientée; c) représentation linéarisée

bas: d) amers angles-de-murs; e) amers fins-de-murs; f) fresque

Figure 3 – 3 : Modélisation qualitative de l’environnement

Lors d’un parcours effectué par le robot, il est intéressant de mémoriser les fresques amenant un supplément d’information par rapport aux précédentes. Cet ajout d’information a été envisagé en se basant sur deux critères très simples : un calcul de la corrélation et le calcul de la distance de Hausdorff entre deux fresques consécutives. Toute fresque pertinente est mémorisée dans une structure de pile. On dispose ainsi d’une pile d’environnements représentatifs du trajet effectué.

Lors d’un aller-retour, il est possible, en comparant la fresque retour courante à l’une des fresques mémorisées à l’aller, de vérifier que le robot retourne à son point de départ sans se tromper [PRA00C].

Une partie importante du travail a aussi concerné l’étude et la réalisation des comportements réactifs et perceptifs qui équipent un robot : thèse de Z. Jin (ENS Cachan, 1997) [JIN97T], mémoire CNAM de A. Cavalier [CAV97ST], deux stages de recherche post-doc de MM. Belega et Ivaschescu, enseignants-chercheurs à l’Université Technique de Timisoara (Roumanie) [BEL97ST, BEL98R, BEL98C, IVA97ST, IVAS98aC, IVAS98bC, PRA98C], stage IUFM de F. Jobé [JOB98ST] dans le cadre de l’agrégation de génie électrique, stage de magistère EEA de S. Avrillon [AVR99ST].

Le CEMIF-LSC s’équipe de 5 robots mobiles de faible diamètre qui serviront de démonstrateur. Une coopération entre l’Université de Poznan (Pologne) et l’Université de Sherbrooke (Canada) pour un projet conduisant à la création d’une architecture multi-agents intégrant un simulateur de système multi-robots, un interface personne machine dans l’optique d’une utilisation par une personne handicapée est en cours de mise en place.

3.3. MÉCATRONIQUE

L’activité de ce groupe de recherche a porté initialement sur la modélisation et la commande de systèmes mécaniques complexes avec comme application principale la robotique. Le recrutement de deux maîtres de conférences (L. BEJI et L. BENCHIKH) nous a permis d’acquérir des compétences pluridisciplinaires comportant à la fois un volet mécanique (60° section) et un volet automatique (61° section).

Depuis nous nous attachons à travers la réalisation de projets industriels innovants, de mettre en œuvre cette logique Mécatronique , de définir des principes de simulation toujours plus réalistes, qui permettraient un prototypage rapide [JOL98RC], [SEG-T], [ART-T]. Toujours dans une logique Mécatronique, il a été réalisé une thèse sur la simulation d’une commande dynamique d’un robot parallèle [BEJ97T], [BEJ99R]..

Dans la suite des travaux portant sur la Modélisation et la commande des robots flexibles par synthèse modale, une thèse est en cours afin d’optimiser les temps de calcul [GEV-T].

D’autres travaux ont été développés dans le domaine des vibrations de structures et de la stabilité d’orientation des satellites munis de réservoirs de carburant.

Enfin, une nouvelle voie a été explorée dans le cadre des applications de la microrobotique notamment au domaine médical. Ceci s’est traduit d’une part par la mise en place du projet MATEO " Modélisations Artérielles et Thérapeutiques Endovasculaires assistées par Ordinateur " en collaboration avec l’Hôpital Tenon, l’Université Paris 6, le LERISS et le LIIA, et d’autre part de la mise en place d’un projet de recherche en collaboration avec l’Université Simon Frazer de Burnaby (Canada) sur l’étude des aspects mécaniques et " retour d’effort " dans l’élaboration d’un simulateur pour la microchirurgie.

Les travaux de recherche effectués peuvent être répartis en cinq thèmes principaux :

3.3.1. Modélisation et commande de robots

Ces études concernent aussi bien les robots parallèles que les robots séries flexibles.

Pour ce qui est des robots parallèles, ceux-ci, comme on le sait, ont l’avantage par rapport aux robots séries d’être plus précis, plus légers et plus performants. Par contre, selon leur architecture, ils peuvent s’avérer beaucoup plus complexes à modéliser et à contrôler.

En collaboration avec le Centre d’Etudes et de Recherches en Mécanique (CERMA) de l’Université d’Evry, on a réalisé une étude qui consiste à élaborer une commande originale pour un robot parallèle qui tient compte des frottements dans les mécanismes et des effets inertiels. Ce robot (SPACE) conçu et développé au CERMA à Evry présente une architecture originale à 3 bras et à 6 degrés de liberté.

Après avoir établi les modèles géométriques et cinématiques directs et inverses du robot, un modèle dynamique direct est obtenu à partir duquel les lois de commande pour le suivi de trajectoires sont élaborées. Celles-ci prennent en compte la dynamique des actionneurs en utilisant une approche par perturbations singulières [BEJ99R].

Concernant les robots flexibles, les travaux ont été menés en collaboration avec le C.E.A., en vue notamment de mettre en place un logiciel performant (intégré dans le code PLEXUS) qui permet de traiter tout type de structures complexes flexibles tout en minimisant les temps de simulation.

Une première étude réalisée au CEN de Saclay, avait pour objectif la mise en œuvre d’un formalisme d’analyse des structures flexibles polyarticulées soumises à de grands mouvements. L’accent a été mis sur l’optimisation du rapport précision sur temps de calcul. Pour cela, on a utilisé une technique de sous-structuration dynamique couplée à une représentation lagrangienne actualisée. Le mouvement de chaque sous-structure est projeté sur une base modale relative à un repère local. Par linéarisation des mouvements sur un pas de temps, le mouvement d’ensemble est projeté sur la base modale similairement à la contribution flexible. Ceci a permis de tenir compte du couplage inertiel entre mouvement rigide et déformation. La principale difficulté dans cette analyse résidait dans la connexion des différentes sous-structures. Pour cela on a mis en place une technique originale reposant sur la théorie des mécanismes et s’inspirant des techniques d’assemblage en éléments finis. Ceci a permis, au moyen notamment de la construction automatique des matrices de liaison et de l’écriture des principes variationnels autour des repères locaux de liaison, de tenir compte du paramétrage modal des différentes sous-structures et ainsi de minimiser les temps de calcul [AZO98R]. Les différents développements ont été intégrés dans le code PLEXUS du CEA.

Une seconde étude s’est basée sur ces derniers travaux pour réaliser une commande robuste de robots flexibles. Dans certaines circonstances, l’apparition de vibrations structurelles pour des robots légers et à dynamique rapide entraîne une dégradation des performances et de la précision de ces appareils. Pour compenser ces effets, il faut agir soit de manière passive (choix du matériau) soit de manière active. Dans ce dernier cas, on cherche à utiliser les actionneurs existants pour simultanément contrôler la position de chaque bras et amortir les vibrations de structure. Pour ce faire, on a développé à partir du modèle dynamique élaboré précédemment une loi de commande par découplage et linéarisation sur les variables rigides et amortissements sur les variables souples, [AZO98C]. L’étude a permis un très bon suivi de trajectoire ainsi qu’une atténuation substantielle des vibrations, et a donné lieu à un nouveau logiciel qui a été implanté dans PLEXUS.

Une autre étude concerne un des objectifs principaux de la simulation des systèmes rencontrés en robotique, à savoir la diminution du temps de calcul. Ce problème se pose notamment lors de la commande de ces appareils. En robotique rigide, il est bien connu que l’utilisation de la méthode Newton-Euler (opposée aux méthodes variationnelles type équations de Lagrange) associée à une description récursive du système est la méthode la plus performante du point de vue des temps de calcul. En robotique souple, du fait de la discrétisation par synthèse modale ou par éléments finis des parties déformables, l’utilisation des méthodes variationnelles est inévitable.

Récemment, toutefois, une méthode mixte qui utilise la formulation Newton-Euler pour les déplacements d’ensemble et la formulation variationnelle pour les vibrations de structure a été proposée. L’étude s’appuie sur cette méthodologie, l’objectif étant de développer un outil performant permettant d’inclure différents types de commande et des imperfections dans les liaisons. (jeux, frottements). Ces travaux font l’objet d’une thèse en cours [GEV-T].

D’autre part, un autre facteur qui permet la diminution des temps de calcul dans la simulation numérique des systèmes multicorps est l’utilisation de codes formels. Ces codes permettent d’obtenir le modèle dynamique sous forme symbolique.

Actuellement, un certain nombre de codes symboliques ont été élaborés en robotique rigide mais un très petit nombre concerne les mécanismes déformables. L’étude entreprise montre que l’on peut utiliser n’importe quel code de simulation dynamique de corps rigides articulés pour modéliser le mouvement des mécanismes flexibles dans lesquels les déformations sont discrétisées. La méthode consiste à introduire un modèle rigide fictif qui aura les mêmes degrés de liberté et les mêmes énergies cinétique et potentielle que le mécanisme déformable. On utilise ces résultats pour résoudre un certain nombre de problèmes inverses en robotique flexible : le logiciel utilisé est le code de simulation dynamique AUTOLEV consacré initialement aux corps indéformables [PAS 99R].

3.3.2. Simulation Mécatronique

En relation avec la société SFIM industrie qui conçoit et développe des prototypes de haute technologie en Avionique, a été développé le logiciel PLEXUS-R sur la base du logiciel standard PLEXUS développé par le CEA (au CEN Saclay).

PLEXUS-R est un logiciel d’éléments finis qui est interfacé avec CASTEM 2000 au niveau du mailleur. Il est également possible de récupérer un maillage réalisé sous IDEAS. Au niveau du fichier de données les lois de commande sont introduites par bloc de fonctions de transfert, ainsi une loi de commande synthétisée (à l’aide de MATLAB par exemple) peut être introduite sans difficulté dans le fichier de données PLEXUS-R [BENC97aC]. Il est donc possible grâce à cette outil de tester le couplage entre la conception de la mécanique et la conception de la commande, ensuite par un bouclage systématique au niveau de la simulation de trouver les meilleurs paramètres. Suivant ce principe de simulation, une application industrielle à été réalisée au sein de la SFIM concernant le projet Européen du " Very Large Telescope ".

En collaboration avec la société ETPM (filiale de la Générale des Eaux), a été réalisé au sein du CEMIF, la modélisation et la commande d’un système destiné à la dépose de pipe lines en mer [JOL98RC]. La dépose s’effectue à partir d’un barge équipée de machines hydrauliques (tensionneurs) qui communiquent au tube une tension constante pour toutes les conditions de vitesse de défilement et d’état de la mer. L’étude a porté sur la modélisation mécanique dans le cas d’un nouveau dispositif qui a permis la dépose de pipe lines à 100 m de profondeur et de battre ainsi un record du monde. Dans ce projet deux démarches ont été proposées :

La deuxième démarche comporte des avantages importants. Le conditionnement de toute l’installation électrique au niveau des automates peut être réalisé, testé, en parallèle de la construction du modèle mécanique. Les automaticiens de terrain peuvent agir directement sur la simulation en appliquant leurs méthodes " maison ". On y introduit le rôle essentiel de la simulation dans un projet industriel innovant par une approche plus pragmatique en prenant en compte dès le départ des contraintes temps réels du système de contrôle.

Les travaux s’orientent vers cette deuxième démarche en mettant au point un démonstrateur couplant dans un premier temps un automate avec PLEXUS-R et en utilisant LABVIEW comme superviseur.

Toujours dans le cadre de la Mécatronique, on s’intéresse à la conception de prototypage rapide. Ceci consiste à concevoir rapidement des prototypes en fonction d’une tâche à réaliser (ou d’un ensemble de tâches). Cette démarche doit permettre de définir les paramètres géométriques, cinématiques mais également dynamiques du prototype de manière interactive. Pour réaliser cette démarche nous nous basons sur la méthode Multi-Agents et sur la notion de modèle distribué. Ces travaux font l’objet d’une thèse en cours [SEG-T].

D’autre part, et dans le cadre d’une collaboration avec le CERMA et la société SEPS, on a réalisé une étude concernant un robot mobile circulant dans des gaines d’aération à des fins de nettoyage et d’entretien. Le robot qui a été conçu par le CERMA de l’Université d’Evry comporte 6 roues motorisées placées à l’extrémité de 6 bras articulés. L’ensemble est conçu de manière à avoir un maximum d’adhérence. L’étude concerne l’élaboration d’un modèle dynamique ainsi que d’une stratégie de commande pour les déplacements du robot dans des gaines comportant des coudes ou des embranchements. Ces travaux font l’objet d’une thèse en cours [ART-T].

Dans le cadre des synergies avec d’autres groupes du CEMIF-SC, on a démarré une étude de robots mobiles commandés par la roue avant ou les deux roues arrières. Sur la base d’un modèle dynamique établi par Yasmina Bestaoui [BES00CI], on a pu dégager une loi de commande qui tient compte du modèle des actionneurs [BEJ00C]. Afin d’élargir cette commande, nous travaillons sur une commande robuste et adaptative.

3.3.3. Mécanique Spatiale

Il s’agit de travaux plus fondamentaux concernant l’étude de systèmes complexes intervenant en astronautique (satellites reliés par câbles, satellites contenant des fluides).

Une première étude a traité la stabilité d’attitude des satellites en rotation munis de réservoirs partiellement remplis. Cette étude porte sur le couplage entre le mouvement de ballottement de fluide et le mouvement d’ensemble d’un satellite tournant. Dans certaines circonstances, le déplacement " en bloc " du fluide contenu dans les réservoirs de carburant peut déstabiliser le satellite. La recherche d’un critère de stabilité n’est pas aisée et suppose connus les modes de ballottement du fluide. Lorsque les réservoirs sont partiellement remplis, le mouvement du fluide relève d’un problème à frontière libre. Une étude du couplage entre le mouvement d’ensemble du satellite et le mouvement du fluide a été réalisée numériquement en tenant compte de la viscosité. Une autre étude, actuellement en cours, concerne les propriétés mathématiques d’orthogonalité et de complétude des modes d’oscillations du liquide en tenant compte du mouvement de rotation du satellite[PAS 97R].

Un autre travail porte sur la dynamique des satellites reliés par câbles. Il s’agit là aussi d’un problème d’actualité en Mécanique Spatiale. Plusieurs missions ont été envisagées, dont deux ont été réalisées, qui consistent à déployer à partir d’un satellite principal (par exemple, la Navette Américaine) un câble de plusieurs dizaines de kilomètres comportant à son extrémité un satellite secondaire. Une première étude utilise un modèle simple de satellites amarrés constitués par deux masses ponctuelles reliées par un câble élastique sans masse et placées dans le champ d’attraction d’une troisième masse ponctuelle. On montre que si le coefficient d’élasticité du câble est faible, les solutions d’équilibre relatif sont stables[BUR 00R]. Cependant, les phases cruciales sont évidemment celles du déploiement ou de l’enroulement du câble, car ces opérations peuvent provoquer des oscillations importantes du système. Plusieurs stratégies de choix des lois de déroulement ou d’enroulement du câble sont étudiées afin de prévoir les réponses du système et d’assurer si possible sa stabilité-Le modèle utilisé prend en compte les oscillations latérales et transversales du câble [DJE 99R].

3.3.4. Méthodes analytiques en Dynamique des structures

Les travaux effectués portent sur l’utilisation de méthodes analytiques en analyse modale de structures. La méthode proposée qui fournit une alternative aux méthodes traditionnelles d’analyse par éléments finis est particulièrement bien adaptée aux structures composées de barres ou de poutres. L’analyse modale s’effectue à partir de la matrice d’impédance qui relie dans le domaine fréquentiel les forces appliquées sur les frontières aux déplacements de ces frontières. Le concept de matrice d’impédance est étendu au cas d’un milieu tridimensionnel en supposant que les données aux limites en déplacement s’expriment en fonction d’un nombre fini de paramètres ne dépendant que du temps. Cette méthode est ensuite adaptée au cas des plaques rectangulaires.

Comme alternative à la méthode modale utilisée dans l’analyse dynamique et le contrôle des structures, une stratégie de contrôle actif distribué est développée. Cette méthode utilise la fonction de transfert exacte obtenue pour une structure en treillis composée de deux cellules. Les performances du système en boucle fermée sont comparées en fonction des gains du contrôle.

3.3.5. Micro-robotique appliquée à la chirurgie

Cette étude a de fortes interactions avec le thème Réalité Virtuelle.

Une première étude concerne l’analyse mécanique du retour d’effort des outils de microchirugie dans les opérations courantes d’incision, de pinçage,… des structures humaines simulées. Le retour d’effort haptique peut être classifié comme une branche des domaines de la robotique et du calcul/contrôle. Il doit être déterminé avec une précision optimale pour reproduire assez fidèlement la sensation d’effort ressentie par le chirurgien qui agit virtuellement sur un modèle d'organes. Une série d’études "hors-ligne " basée sur la méthode des éléments finis a été menée. Il s’agissait de déterminer avec un maximum de précision le retour d’effort haptique. Partant de ces résultats on mène des recherches pour l’optimisation de cette procédure de résolution afin d’aboutir à des temps de calcul permettant les simulations en temps réel.  Ces travaux sont menés conjointement avec l’Université Simon Frazer de Burnaby (Canada). Shahram Payandeh Professeur dans cette université a déjà effectué deux séjours d’études et de recherches en France à cet effet. (juin 99 et juin 2000).

La seconde étude se concrétise dans le projet M.A.T.E.O :  " Modélisations Artérielles et Thérapeutiques Endovasculaires assistées par Ordinateur ".

Ce travail concerne le développement d’une assistance par ordinateur pour le traitement des anévrismes de l’aorte. Cette recherche a comme objectifs :

	- l’aide à la décision thérapeutique en développant une simulation de la maladie et du geste thérapeutique, pour savoir s’il est faisable pour un malade donné, de prévoir ses difficultés éventuelles et l’évolution après traitement par endoprothèses

	- l’aide à la fabrication de l’endoprothèse, surtout pour réaliser une endoprothèse sur mesure en déterminant ses dimensions de façon automatique et non manuelle comme c’est actuellement le cas

	- l’aide à la réalisation du geste de mise en place de l’endoprothèse afin d’améliorer sa qualité globale en terme à la fois d’efficacité et de sécurité pour le malade, en optimisant le positionnement

	- l’aide à l’apprentissage des opérateurs à la fois en terme de formation initiale, et de perfectionnement sur une banque de cas plus ou moins difficiles, y compris en validant le geste en pré-opératoire chez un malade à traiter, à l’aide d’une endoprothèse virtuelle.

En répondant à l’ensemble de ces objectifs, cette assistance par ordinateur va servir en pratique à augmenter les taux de succès de la méthode endovasculaire et en particulier à réduire les risques d’échec pour le malade. Elle pourra ainsi alors s’appliquer au plus grand nombre de cas et non plus être réservée à certains patients comme c’est le cas actuellement, du fait des risques aléatoires que fait courir son imprécision actuelle.

Cette étude est sous financement du MENRT dans le cadre de l’appel d’offre de juin 99 en télémédecine et technologie pour la santé. Elle est menée en collaboration avec l’hôpital Tenon (UP6), le LAMI, UEVE et le LIIA (UP12).

Le travail de recherche dont le thème général est la Modélisation des anévrysmes aortiques (pré, per, post-traitement) peut être décomposé en 4 thèmes différents :

Thème 1 – Imagerie (LERISS : J. Lemoine, A Raji)

Thème 2 – Microrobotique (LIIA : C. François ; CEMIF SC : P. Joli, T. Gagarina)

Thème 3 - Contrôle/commande (LIIA : Y. Amirat, J. Pontnau ; LaMI : C.Moreno)

Thème 4 - Réalité virtuelle (CEMIF SC : A. Kheddar, M. Mallem)

Bilan coté CEMIF SC

Un prototype de cathéter actif à été réalisé à l’échelle 4, le prototype à l’échelle 1 est en cours de finition à l’IUT de Cachan (C. François). Un brevet a été déposé en France et aux États Unis (Auteur principal : C. François, Coauteurs : F. Boudghène, P. Joli) [FBJ00B]. Une modélisation quasi-statique de la partie active a été effectuée, ainsi que des mesures d’identification (P.  Joli, T. Gagarina). Une reconstruction graphique 3D d’une aorte avec anévrisme est en cours de réalisation (A. Kheddar)