Brevet FR3138231A1 — publié le 20240126

Procédé de commande conjointe d’au moins deux robots (1) mobiles de manière autonome pour l’exploration d’un même lieu, comprenant les étapes de : créer une image de l’environnement de chaque robot ; effectuer un traitement informatique de chaque image pour balayer chaque image avec un masque pour détecter dans le masque des points d’intérêts ; combiner les deux images en fonction de mêmes points d’intérêt détectés dans les deux images pour obtenir une image fusionnée. La détection de point d’intérêt n’est effectuée que si le masque sélectionne une zone de l’image qui comprend au moins un élément d’image représentatif d’un obstacle et est dépourvue d’élément d’image représentatif d’une zone inconnue. Système d’exploration comprenant des robots mobiles autonomes ayant une unité électronique de commande programmée pour la mise en œuvre de ce procédé. FIGURE DE L’ABREGE : Fig. 1 Procédé et ensemble de robots mobiles autonomes pour l’exploration d’un lieu La présente invention concerne le domaine de la robotique et plus particulièrement l’exploration et la cartographie d’un lieu par des véhicules sans pilote comme des robots mobiles autonomes. ARRIERE PLAN DE L’INVENTION Il est connu d’utiliser des robots mobiles pour explorer un même lieu. Un robot mobile terrestre comprend classiquement un châssis porté par des moyens de déplacement comme des roues ou des chenilles, une motorisation pour entrainer celles-ci et permettre le déplacement du robot, des moyens de guidage du robot (orientation des roues ou entrainement différentiel des chenilles), une unité de localisation pour déterminer la position du robot (comprenant généralement un système de positionnement par satellite de type GNSS ou « Global Navigation Satellite System » et une centrale inertielle), un détecteur d’obstacle ayant une zone de couverture maximale autour du robot (caméras, lidar ou autre), un transmetteur (comme un émetteur/récepteur radio) pour envoyer et recevoir des informations, le tout relié à une unité électronique de commande. L’unité électronique de commande est programmée pour piloter plusieurs robots. Elle amène les robots dans des positions successives, ces derniers effectuent périodiquement des détections lors de leurs déplacements. Les détections génèrent des cartographies 2D (ou plans) de l’environnement (sous la forme d’une image) observé par le robot lors de son déplacement complet. Ces plans sont renvoyés à une unité électronique externe et distincte des robots, couramment appelée superviseur, qui collecte les cartographies envoyées par les robots pour y détecter des mêmes points d’intérêt (ou amers) afin de combiner les cartographies issues de l’ensemble des robots. La cartographie combinée résultante est au moins plus grande que les cartographies uniques des robots et permet de positionner ces derniers relativement sans moyens de localisation externes. Plus précisément, le procédé utilisé comprend les étapes de : - générer une image de l’environnement (ou cartographie 2D) de chaque robot à partir des signaux issus du détecteur d’obstacle du robot concerné, l’image comprenant des éléments d’image (ou pixels de l’anglais « picture element ») d’une première couleur correspondant à une zone d’environnement libre, d’une deuxième couleur correspondant à une zone occupée par un obstacle et d’une troisième couleur correspondant à une zone inconnue c’est-à-dire située hors de la zone de couverture maximale ; - détecter des points d’intérêts (ou amers) dans chaque image produite à partir des signaux issus du détecteur d’obstacle de chaque robot. Cette détection est réalisée informatiquement grâce au balayage d’un masque détecteur de points d’intérêts formés d’éléments de la deuxième couleur (couleur des obstacles) ; - appareiller les points d’intérêts de l’image produite pour un robot A avec l’image SLAM produite pour un robot B pour en déduire la position relative de ces deux images, et ceci pour tous les couples possibles de robots. - combiner les différentes images en fonction des transformations calculées pour appareiller les points d’intérêt, et obtenir une image fusionnée. On utilise classiquement la méthode de cartographie et de localisation connue sous le nom de SLAM (pour « Simultaneous Localization and Mapping », que l’on peut traduire par « localisation et cartographie simultanées ») pour créer les images mentionnées ci-dessus. Les algorithmes de SLAM connus utilisent comme amers des points d’intérêt ou éléments caractéristiques (« key features ») présents dans l’environnement du robot, à savoir le plus souvent des éléments géométriques très simples : points, segments, lignes, coins, plans, etc. La détection des points d’intérêt utilise des algorithmes tels que le détecteur SIFT (pour « Scale-Invariant Feature Transform »), le détecteur ORB (pour « Oriented fast and Rotated Brief »), le détecteur de Harris… Cette méthode est particulièrement intéressante pour les robots explorant des bâtiments. En effet, dans un bâtiment, la réception des signaux satellitaires est difficile si ce n’est impossible, rendant les systèmes de positionnement par satellites non opérationnels. Il est possible néanmoins d’entretenir une position du robot en utilisant uniquement les données de la centrale inertielle pendant un certain temps mais l’on sait qu’une navigation inertielle accumule des erreurs dans le temps, ce qui engendre une dérive de la position calculée. L’utilisation d’odomètres dans le cas de robots terrestres est également possible, mais les données fournies par les odomètres sont très sensibles aux glissements pouvant survenir entre le sol et les éléments de liaison au sol du robot terrestre. Un inconvénient des procédés connus réside dans la lourdeur du traitement d’image à réaliser. En effet, chaque image représente une grande quantité d’éléments d’image qu’il faut balayer successivement. Il faut donc disposer d’un superviseur disposant de ressources informatiques relativement importantes et il n’est pas envisageable de faire effectuer ce traitement par l’unité électronique de commande des robots sauf à en augmenter significativement le coût. Cet inconvénient est d’autant plus préjudiciable que la vitesse des robots est élevée. En effet, plus la vitesse des robots est élevée, plus les différences de cartographie entre deux itérations sont grandes et plus les recalages sont importants. OBJET DE L’INVENTION L’invention a notamment pour but de simplifier l’exploration de lieux par des robots en environnement sans disponibilité GPS (ou « GPS denied »). A cet effet, on prévoit, selon l’invention un procédé d’exploration d’un lieu par un système d’exploration comprenant au moins deux robots mobiles de manière autonome dans le lieu ; chaque robot comprenant au moins un détecteur d’obstacle ayant une zone de couverture maximale autour du robot. Le procédé comprend les étapes de : - créer une image de l’environnement de chaque robot à partir des signaux issus du détecteur d’obstacle du robot concerné, l’image comprenant des éléments d’image d’un premier type correspondant à une zone d’environnement libre, d’un deuxième type correspondant à une zone occupée par un obstacle et d’un troisième type correspondant à une zone inconnue hors de la zone de couverture maximale ; - effectuer un traitement informatique de chaque image pour balayer chaque image avec un masque pour détecter dans le masque des points d’intérêts formés d’éléments d’image du deuxième type ; - combiner les deux images en fonction de mêmes points d’intérêt détectés dans les deux images pour obtenir une image fusionnée. La détection de point d’intérêt n’est effectuée que si le masque sélectionne une zone de l’image qui comprend au moins un élément d’image du deuxième type et qui est dépourvue d’éléments d’image du troisième type. Le terme « image » est à prendre au sens de représentation de l’environnement du robot, comme une image au sens propre ou une carte. On s’est aperçu que la probabilité d’identifier un point d’intérêt est plus importante dans les zones de l’image comportant un élément d’image du deuxième type mais dépourvue d’élément d’image du troisième type. En effet, dans les zones frontières mêlant éléments d’image du deuxième type et éléments d’image du troisième type, la probabilité d’une fausse détection de point d’intérêt est plus importante. Avec l’invention, la détection de point d’intérêt n’est donc effectuée que si le masque sélectionne une zone de l’image qui comprend au moins un élément d’image du deuxième type et qui est dépourvue d’éléments d’image du troisième type. Ainsi, une opération de détection n’est pas effectuée pour toutes les zones sélectionnées par le masque mais pour certaines d’entre elles seulement et en particulier celles pour lesquelles la probabilité d’identifier un point d’intérêt est la plus forte. Il en résulte qu’on limite de la sorte la quantité de données à traiter et les ressources informatiques nécessaires à leur traitement tout en accroissant la fiabilité de la détection de points d’intérêt. L’invention concerne également un système d’exploration pour la mise en œuvre de ce procédé. Ce système d’exploration comprend au moins deux robots mobiles autonomes comprenant chacun une unité électronique de commande reliée à au moins un détecteur ayant un rayon de détection délimitant une zone de couverture maximale autour du robot et à un transmetteur pour échanger des informations avec chaque autre robot. L’unité électronique de commande de chaque robot est agencée pour exécuter un programme informatique ayant des instructions agencées pour mettre en œuvre le procédé de l’invention. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui suit d’un mode de réalisation particulier et non limitatif de l’invention. Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels : la est une vue schématique d’un robot agencé pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention ; la est une vue schématique de dessus montrant deux robots disposés dans un même lieu ; la est une vue schématique montrant quatre configurations possibles de coin détecté dans une zone d’image sélectionnée par un masque ; la est une vue d’un résultat réel de l’invention montrant deux images SLAM (à droite) élaborées chacune par un des robots et une image (à gauche) résultant de la fusion des deux images de droite. DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION L’invention concerne un système d’exploration comprenant des robots mobiles autonomes destinés à l’exploration d’un même lieu. En référence à la , chaque robot, généralement désigné en 1, a une structure connue en elle-même et comprend un châssis 2 reposant sur le sol par des roues avant 3 et des roues arrière 4 montées sur le châssis 2 pour pivoter autour d’un axe sensiblement horizontal. Les roues avant 3 sont en outre montées sur le bâti 2 pour pivoter autour d’un axe de guidage sensiblement vertical. Les roues arrières 4 sont mécaniquement reliées à une motorisation 5 pour être entraînées en rotation par celle-ci et permettre le déplacement du véhicule. La motorisation 5 comprend ici un moteur électrique alimenté au moyen d’une batterie non représentée. Les roues avant 3 sont reliées à une unité de guidage 6 qui comprend ici des vérins montés entre le châssis 2 et les roues avant 3 pour orienter celles-ci autour de leur axe de guidage. Chaque robot 1 comprend en outre une unité de localisation 7 pour déterminer la position du robot 1. L’unité de localisation 7 comprend ici un récepteur 8 de signaux satellitaires (système de positionnement par satellites de type GPS, GALILEO, GLONASS ou BEIDU) et une centrale inertielle 9. Un détecteur d’obstacle 10 est monté sur le châssis 2 pour détecter l’environnement du robot. Le détecteur 10 a une portée utile prédéterminée définissant une zone de couverture maximale autour du robot 1, cette zone ayant une forme théorique circulaire de rayon R égal à la portée utile prédéterminée du détecteur 10 (on parle couramment de rayon de perception). Le détecteur 10 est ici un dispositif de télédétection par laser (ou « lidar »). On rappelle qu’un tel détecteur comprend un émetteur laser pour émettre des impulsions laser successivement dans toutes les directions autour du robot 1 dans un plan horizontal et un récepteur des impulsions réfléchies par les obstacles permettant par télémétrie de déterminer pour chaque orientation de l’émetteur laser de déterminer la distance du robot par rapport aux obstacles. Les signaux fournis par le détecteur 10 sont représentatifs du gisement et de la distance des obstacles détectés sur un tour par le détecteur 10. On notera que, compte tenu de ce principe de fonctionnement, un obstacle masque la zone qui est derrière lui de sorte que tout obstacle détecté limite la zone de couverture maximale du détecteur 10. On a représenté sur la deux robots 1, individuellement distingués l’un de l’autre sur la en associant les lettres a et b aux références numériques concernant chacun d’eux, ces deux robots évoluant dans un même lieu parsemé d’obstacles O1, O2, O3. On voit derrière chacun de ces obstacles la zone (hachurée) masquée au détecteur 10 par l’obstacle en question. La motorisation 5, l’unité de guidage 6, l’unité de localisation 7 et le détecteur 10 sont reliés à une unité électronique de commande 11 comprenant un processeur, une mémoire contenant des programmes exécutables par le processeur, et une interface de communication permettant l’envoi d’instructions à la motorisation 5 et à l’organe de guidage 6, la réception de données de fonctionnement de la motorisation 5 et du dispositif de guidage 6, ainsi que la réception d’informations de position en provenance de l’unité de localisation 7. L’unité électronique de commande 11 est également reliée à un transmetteur 12, ici un émetteur/récepteur radio, pour échanger des informations avec les autres robots 1. Les programmes contenus dans la mémoire de l’unité électronique de commande 11 comprennent des instructions agencées pour mettre en œuvre le procédé de l’invention. Le procédé d’exploration selon l’invention va maintenant être décrit dans une mise en œuvre au moyen de deux robots 1a, 1b respectivement qui sont commandés pour coopérer de manière à explorer un même lieu. Dans le procédé d’exploration selon l’invention, les deux robots 1a, 1b évoluent dans le lieu. Les déplacements de chaque robot sont commandés par l’unité électronique de commande 11 de manière à ce que chaque robot progresse toujours vers une zone non encore explorée par aucun des deux robots. L’unité électronique de commande 11 commande également le détecteur 10 pour effectuer des opérations de détection au cours de chacune desquelles le détecteur 10 inspecte la zone environnant le robot 1 sur 360° dans la limite de la couverture maximale du détecteur 10 et fournit à l’unité électronique de commande 11 des signaux représentatifs de la zone inspectée pour que l’unité de commande 11 puisse amener le robot dans les parties libres de la zone inspectée. Les opérations de détection peuvent être effectuées périodiquement que le véhicule soit en mouvement ou pas, ou à la demande à chaque fois que le véhicule approche de la limite de la zone inspectée lors de la précédente détection. L’unité électronique de commande 11 de chaque robot 1a, 1b reçoit les signaux fournis par le détecteur 10 et les exploite pour créer une image de l’environnement dudit robot 1a, 1b à partir des signaux issus du détecteur 10 du robot concerné. L’image comprend des éléments d’image (ou pixels) d’un premier type correspondant à une zone d’environnement libre, d’un deuxième type correspondant à une zone occupée par un obstacle et d’un troisième type correspondant à une zone inconnue hors de la zone de couverture maximale. En l’occurrence, ce qui distingue les différents types d’élément d’image est la couleur de ceux-ci. En l’espèce, les éléments d’image du premier type correspondant à une zone d’environnement libre sont blancs, les éléments d’image du deuxième type correspondant à une zone occupée par un obstacle sont noirs et les éléments d’image du troisième type correspondant à une zone inconnue hors de la zone de couverture maximale sont gris. En reprenant la , les éléments d’images du troisième type se trouveront donc dans toutes les zones masquées au détecteur 10 par les obstacles O1, O2, O3 (zones hachurées) et par toutes les zones se trouvant au-delà de sa portée théorique représentée par le cercle en trait mixte. Deux exemples d’images sont représentés sur la partie droite de la . L’affectation de la couleur à chaque élément de l’image (on parle de discrétisation de l’espace autour de chaque robot) est effectuée par comparaison à des seuils prédéterminés de la probabilité d’occupation d’un élément d’image par un obstacle qui est d’autant plus grande que l’intensité des impulsions réfléchies depuis cette zone de l’environnement est élevée. L’unité électronique de commande 11 est agencée pour effectuer un traitement informatique de chaque image pour balayer chaque image avec un masque et pour détecter dans la zone d’image sélectionnée par le masque des points d’intérêts formés d’éléments d’image du deuxième type. Afin de limiter le volume de données à traiter et fiabiliser la détection des points d’intérêt, la détection de point d’intérêt n’est effectuée que si le masque sélectionne une zone de l’image qui comprend au moins un élément d’image du deuxième type et qui est dépourvue d’éléments d’image du troisième type. Pour limiter encore le volume de données et rendre la fusion ultérieure des images insensible aux différences d’orientation des robots entre eux, la détection de point d’intérêt n’est effectuée que si la zone de l’image sélectionnée par le masque comprend un élément d’image du deuxième type au centre du masque. En pratique, le masque sélectionne une zone carrée de neuf éléments d’image identifiés par les lettre Q, B, P, A’, C, A, P’, B’, Q’. La détection est effectuée en fonction de la valeur des éléments d’image de la zone sélectionnée et en effectuant des calculs à partir de ces valeurs. Le masque est défini comme suit : Et on pose que : un élément d’image du premier type vaut zéro, un élément d’image du deuxième type vaut un, r est la somme des éléments d’image de deuxième type entourant l’élément d’image central. La définition du masque est ici reprise de celle proposée dans « A New Corner Detector Approach for Occupancy Grid Map Merging », Carlos Alberto Velásquez Hernández, F.A.P.O., 2015. La détection de point d’intérêt est ici une détection de coin. On pose qu’un coin est détecté dans la zone sélectionnée par le masque si A la sont illustrés une partie de ces différents cas (la totalité de ces cas peut être obtenue en effectuant trois rotations de 90° des cas représentés). Les deux robots 1a, 1b échangent ensuite leurs cartes et l’unité électronique de commande 11 de chaque robot 1 va combiner les deux images en fonction de mêmes points d’intérêt détectés dans les deux images pour obtenir une image fusionnée. Ceci revient à superposer les deux cartes en essayant de faire coïncider (ou appareiller deux à deux) les points d’intérêt. De préférence, l’algorithme de localisation et cartographie qui est mis en œuvre dans l’unité électronique de commande 11 est de type SLAM. En variante, un seul des robots fusionne les deux cartes et peut retransmettre la carte fusionnée à l’autre des robots. En variante encore, les deux robots transmettent leur carte à une unité électronique de supervision qui est agencée pour fusionner les deux cartes et peut retransmettre la carte fusionnée à chacun des robots. De préférence, on utilisera trois robots avec un des robots ayant une unité électronique de commande agencée pour récupérer les images transmises par les autres robots, fusionner les images et transmettre l’image fusionnée aux autres robots. Pour que la fusion soit la plus précise possible, les unités électroniques de commande 11 doivent être agencées pour discrétiser l’espace autour du robot de la même manière. Ceci signifie que les cartes des deux robots doivent être élaborées en codant les couleurs des pixels en fonction des mêmes seuils de probabilité d’occupation. En l’absence d’information de localisation, comme par exemple à l’intérieur d’un bâtiment lorsque la réception de signaux satellites est impossible et que l’entretien de la position calculée au moyen des signaux satellites dernièrement reçus dure depuis trop longtemps pour avoir une précision acceptable, le procédé de l’invention permet au moins aux robots de connaître leurs positions relatives dans l’image fusionnée et donc de continuer à coopérer pour explorer le lieu. On notera que si seulement l’un des robots (le premier robot ci-après) ne dispose plus de sa position, par exemple parce que son unité de localisation 7 est défaillante, l’unité électronique de commande 11 réalisant la fusion d’image doit disposer des informations de localisation fournies par celui des robots dont l’unité de localisation 7 est opérationnelle (le deuxième robot ci-après). Cette unité de localisation fournit une position géographique du deuxième robot dans un repère prédéterminé et l’unité électronique de commande 11 est agencée pour : déterminer la position relative du premier robot et du deuxième robot dans l’image fusionnée ; déterminer la position du premier robot dans le repère prédéterminé à partir de la position relative des deux robots dans l’image fusionnée et de la position du deuxième robot dans le repère prédéterminé. Bien entendu, l’invention n’est pas limitée au mode de réalisation décrit mais englobe toute variante entrant dans le champ de l’invention telle que définie par les revendications. En particulier, le robot peut avoir une structure différente de celle décrite. L’invention s’applique ainsi à des robots terrestres, aériens, ou navals. Dans le cas d’un robot terrestre, il peut reposer sur des roues, des chenilles ou autres. Les moyens de guidage peuvent mettre en œuvre des roues directrices (par vérins, pignon/crémaillère) ou un entraînement différentiel des roues ou chenilles. Les moyens de localisation peuvent comprendre un ou plusieurs dispositifs permettant la localisation du robot et notamment un récepteur de signaux satellitaires d’un système de positionnement par satellites, une centrale inertielle, un système de positionnement par radio (goniométrie, triangulation ou trilatération) ou autre. Les moyens de localisation peuvent comprendre une boussole ou un compas permettant de déterminer l’orientation du robot par rapport au Nord permettant de déterminer l’orientation de l’image produite par chaque robot et facilitant la fusion des images. La fréquence de transmission des informations entre les robots peut être différente de celle décrite. Le détecteur d’obstacle peut être un radar, un sonar, un capteur d’image ou tout autre dispositif permettant de déterminer à distance le gisement et la distance d’un obstacle. Le procédé de l’invention peut être mis en œuvre avec une détection de point d’intérêt dans une zone d’image sélectionnée par un masque quand bien même le centre de ladite zone ne comporterait aucun élément d’image du deuxième type. D’autres méthodes de détection de points d’intérêt sont utilisables et, par exemple, pour des cartographies, 3D on peut utiliser le détecteur de coin de Harris en 3D ou le détecteur de coin SURF 3D (non exhaustif). Lorsque le lieu est très étendu et que l’ensemble de robots comprend un grand nombre de robots, il est possible d’envisager de former des groupes de robots, les robots de chaque groupe communiquant entre eux conformément à l’invention et un robot de chaque groupe renvoyant les informations de position à un superviseur qui serait soit l’unité électronique de commande de l’un des robots de l’ensemble soit une unité électronique externe. Dans un ensemble exploitant plus de deux robots dans un lieu très étendu, on peut prévoir que la zone explorée déterminée par chaque robot ne tienne compte que des positions des robots se trouvant dans un périmètre prédéterminé autour de sa position. Procédé d’exploration d’un lieu par un système d’exploration comprenant au moins deux robots (1a, 1b) mobiles de manière autonome dans le lieu ; chaque robot comprenant au moins un détecteur d’obstacle (10) ayant une zone de couverture maximale autour du robot, le procédé comprenant les étapes de : - créer une image de l’environnement de chaque robot à partir des signaux issus du détecteur d’obstacle du robot concerné, l’image comprenant des éléments d’image d’un premier type correspondant à une zone d’environnement libre, d’un deuxième type correspondant à une zone occupée par un obstacle et d’un troisième type correspondant à une zone inconnue hors de la zone de couverture maximale ; - effectuer un traitement informatique de chaque image pour balayer chaque image avec un masque pour détecter dans le masque des points d’intérêts formés d’éléments d’image du deuxième type ; - combiner les deux images en fonction de mêmes points d’intérêt détectés dans les deux images pour obtenir une image fusionnée ; caractérisé en ce que la détection de point d’intérêt n’est effectuée que si le masque sélectionne une zone de l’image qui comprend au moins un élément d’image du deuxième type et qui est dépourvue d’éléments d’image du troisième type. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la détection de point d’intérêt n’est effectuée que si l’élément d’image du deuxième type contenu dans la zone de l’image sélectionnée par le masque est au centre de la zone de l’image sélectionnée par le masque. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la détection de point d’intérêt est une détection de coin. Procédé selon la revendication 3, dans lequel le masque est défini comme suit : Et on pose que : un élément d’image du premier type vaut zéro, un élément d’image du deuxième type vaut un, r est la somme des éléments d’image entourant l’élément d’image central, un coin est détecté si Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel un premier des robots (1) est équipé d’une unité de localisation (7) fournissant une position géographique du robot dans un repère prédéterminé et le procédé comprend les étapes de : déterminer la position du premier robot et d’un deuxième des robots dans l’image fusionnée ; déterminer la position du deuxième robot dans le repère prédéterminé à partir de la position des deux robots dans l’image fusionnée et de la position du premier robot dans le repère prédéterminé. Procédé selon la revendication 5, dans lequel l’unité de localisation (7) comprend un récepteur de signaux satellitaires de positionnement. Procédé selon la revendication 5 ou 6, dans lequel l’unité de localisation (7) comprend une centrale inertielle. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on effectue une opération de localisation et cartographie au moyen d’un algorithme de type SLAM. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le détecteur d’obstacle (10) est un lidar. Système d’exploration comprenant au moins deux robots (1) mobiles autonomes comprenant chacun une unité électronique de commande (11) reliée à au moins un détecteur (10) ayant un rayon de détection délimitant une zone de couverture maximale autour du robot (1) et à un transmetteur (12) pour échanger des informations avec chaque autre robot, caractérisé en ce que l’unité électronique de commande (11) de chaque robot (1) est agencée pour exécuter un programme informatique ayant des instructions agencées pour mettre en œuvre le procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes.