David FILLIAT de l'École Nationale Supérieure de Techniques Avancées ParisTech vous présente un super traité de 175 pages sur le thème de la Robotique Mobile.
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On y traite de notions avancées en programmation comme la planification de trajectoire, le mapping, la notion d'amer, de carte topologique ou métrique,
Ci dessous retrouvez la table des matières du document :
1 Introduction 9
1.1 Robot Mobile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2 Objectifs du cours . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3 (Très) Bref aperçu historique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4 Exemples d’applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.5 Pour aller plus loin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
I Les bases de la navigation 15
2 Les différents types de navigation 19 2.1 Les stratégies de navigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 Les architectures de contrôle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.1 Contrôleurs Hiérarchiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.2 Contrôleurs réactifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.3 Contrôleurs hybrides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.4 Pour aller plus loin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3 Les sources d’information 27
3.1 Informations proprioceptives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2 Informations extéroceptives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2.1 Variabilité perceptuelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2.2 Perceptual aliasing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2.3 Utilisation directe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2.4 Utilisation d’un modèle métrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3 Fusion d’informations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4 Matériels courants en robotique mobile 35
4.1 Les bases mobiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.1.1 Holonomie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.1.2 Les plates-formes différentielles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.1.3 Les plates-formes omnidirectionnelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.1.4 Les plates-formes non holonomes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.1.5 Les plates-formes à pattes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.2 Les capteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.2.1 Les capteurs proprioceptifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.2.2 Les télémètres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.2.3 Les caméras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.2.4 Autres capteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.3 Pour aller plus loin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
II Navigation réactive 53
5 Navigation vers un but 57
5.1 Véhicules de Braitenberg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.2 Modèle de Cartwright et Collet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.3 Asservissement visuel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
6 Évitement d’obstacles 61
6.1 Méthode des champs de potentiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6.2 Méthode Vector Field Histogram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.3 Méthode de la fenêtre dynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
7 Apprentissage par renforcement 67
7.1 Formalisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
7.2 Programmation dynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
7.2.1 Évaluation d’une politique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
7.2.2 Amélioration d’une politique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
7.2.3 Algorithmes d’apprentissage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
7.3 Méthodes de Monte-Carlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
7.3.1 Évaluation d’un politique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
7.3.2 Besoin d’exploration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
7.3.3 Algorithmes d’apprentissage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
7.4 Apprentissage par différences temporelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
7.5 Traces d’éligibilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
7.6 Application pratique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
7.7 Exemple de mise en œuvre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
7.8 Pour aller plus loin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
III Navigation utilisant une carte 81
8 Localisation, Cartographie et Planification 85
8.1 Les trois problèmes de la navigation par carte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
8.2 Quelques hypothèses de travail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
8.2.1 Estimation de la position et de la direction . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
8.2.2 Environnements statiques et dynamiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
9 Les représentations de l’environnement 89
9.1 Cartes topologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
9.1.1 Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
9.1.2 Avantages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
9.1.3 Inconvénients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
9.1.4 Mise en œuvre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
9.2 Cartes métriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
9.2.1 Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
9.2.2 Avantages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
9.2.3 Inconvénients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
9.2.4 Mise en œuvre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
9.3 Représentations hybrides et hiérarchiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
10 Localisation 103
10.1 Différentes capacités de localisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
10.2 Estimation de la position par les perceptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
10.2.1 Cartes topologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
10.2.2 Cartes métriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
10.2.3 Corrélation de cartes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
10.2.4 Limitations de l’estimation de la position par les perceptions . . . . . . . . 110
10.3 Suivi d’une hypothèse unique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
10.3.1 Cartes topologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
10.3.2 Cartes métriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
10.3.3 Le filtrage de Kalman pour la localisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
10.3.4 Limitations du suivi de position . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
10.4 Suivi de plusieurs hypothèses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
10.4.1 Suivi explicite de plusieurs hypothèses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
10.4.2 Le filtrage Bayésien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
10.4.3 Filtrage Bayésien dans le cas discret . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
10.4.4 Filtrage particulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
10.5 Comparaison des méthodes de localisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
11 Cartographie 135
11.1 Les problèmes de la cartographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
11.1.1 Limitation des méthodes de localisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
11.1.2 Fermetures de boucles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
11.1.3 Cartographie incrémentale et retour en arrière . . . . . . . . . . . . . . . . 136
11.2 Cartographie incrémentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
11.2.1 Cartes Topologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
11.2.2 Cartes métriques : corrélation de scan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
11.2.3 Cartes métriques : grilles d’occupation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
11.2.4 Stratégies d’exploration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
11.3 Retour sur les modifications passées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
11.3.1 Méthodes de relaxation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
11.3.2 Cartographie par filtrage de Kalman étendu . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
11.3.3 Fast SLAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 1
1.4 Comparaison des méthodes de cartographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
11.5 Pour aller plus loin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
12 Planification 155 12.1 Espace des configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
12.2 Discrétisation de l’espace de recherche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
12.3 Recherche de chemin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
12.3.1 Deux types de plan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
12.3.2 Calcul de politique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
12.3.3 Calcul d’un chemin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
12.4 Exemples de politiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
12.5 Choix de l’action avec une position incertaine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
12.6 Pour aller plus loin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Index 164
Bibliographie 165
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