P18 Localisation of quadrotors

Cahier des charges

Présentation générale du projet

Contexte

Dans un monde de plus en plus connecté, de nombreux drones sont déployés pour diverses applications comme l'espionnage, la surveillance, la cartographie de lieux et la livraison de colis. Les technologies nécessaires pour contrôler ces drones sont des sujets de recherche actuels.

Le contrôle de ceux-ci passe tout d'abord par la maîtrise de leur position dans l'espace. Le développement des applications liées à l'utilisation de drones nécessite un travail important sur la localisation spatiale d'objets connectés.

De plus, dans un souci d'utilisation, il est essentiel de développer des interfaces logicielles permettant d'exploiter ces données.

Objectif du projet

L'objectif de ce projet est de développer une interface logicielle permettant de traiter en temps réel les informations de localisation d'un drone et de balises, dans le but de définir leur localisation dans l'espace, en intérieur.

Description du projet

Pour réaliser le contrôle de drones, la première étape importante est de donner ses informations de position. Le but du projet est de développer une interface logicielle permettant de localiser le drone en temps réel en intérieur. Le drone se déplace dans un environnement dans lequel ont été installées de multiples balises. Il est équipé d'une carte, lui permettant de recevoir les distances relatives entre lui-même et les balises, sur laquelle différents algorithmes vont être implémentés pour effectuer la localisation en temps réel. Le projet requiert des compétences en développement hardware (Crazyflie 2.0, voir https://wiki.bitcraze.io/) et software (langage C/C++/Python/Javascript/HTML...).

Il se divise en 4 étapes principales, qui sont:

1) Choisir les technologies utilisées
2) Choisir l'architecture (OS / APIs)
3) Développer les différentes parties du projet
4) Intégrer et connecter les différentes parties du projet

La localisation étant en intérieur, le protocole GPS n'est donc pas assez précis pour les applications ciblées. La mise en place d'un tel dispositif permettrait grâce à l'utilisation d'un algorithme d'estimer avec une bonne précision les positions en intérieur d'une balise centrale (appelée Tag) et de balises (appelées Anchor). Le Tag scanne en temps réel la distance relative aux différentes balises, et il nous est retourné la position des balises et du Tag grâce à l'algorithme de localisation.

Le projet se compose de 3 parties:

Collect & parse: collecter les données envoyées par les balises en communiquant avec un serveur et récupérer les données adéquates par un tri
Localise: déterminer la matrice de position des balises et du Tag en traitant les données récupérées
Display: développer l'interface homme machine pour afficher, étudier et utiliser les données traitées

Nous travaillerons dans un premier temps dans une optique temps différé avant de travailler en temps réel. Cela nous permettra d'acquérir des données utiles et réutilisables en aval.

A l'aboutissement du projet, nous devrions être capable via l'interface homme machine développée d'afficher précisément la position spatiale des balises ainsi que du Tag, grâce àl'utilisation d'un algorithme de localisation et des données récupérées, et d'afficher d'autres données relatives au déplacement du Tag ou des balises dans l'espace.

Si le temps le permet, nous pourrons aussi être amenés à adapter et utiliser l'interface développée pour l'utilisation d'un drone.

Sujet originel

To achieve the control of quadrotors, the first important task to give its position information. This project is to develop a software(GUI) to localize the quadrotors in real-time. The quadrotor is flying in an environment where several transmitters have been installed. The quadrotor is equipped with a deck to receive the relative distances between the deck and all transmitters, based on which different algorithms will be implemented to realize the real-time localization. The candidates need to have both experiences on hardware (Crazyflie 2.0, see https://wiki.bitcraze.io/) and software development (C/C , Python…).

Calendrier

Avant le 29/09/17 - Élaboration du Cahier des charges, de la liste des tâches et du calendrier prévisionnel

Avant fin Octobre - Serveur de collecte et début du développement de l'interface logicielle

Avant fin Décembre - Interface logicielle

A la fin du PFE - Intégration finale des différentes parties (Serveur de collecte des données & Serveur de localisation & Interface logicielle)

Répartition du volume de travail (***h):

Recherche sur les technologies à utiliser (**h)
Développement du serveur de collecte de données (**h)
Réalisation de l'interface logicielle (Web//Logiciel/Application) (**h)
Intégration des différentes parties (**h)
Test et débuggage (**h)

Choix techniques : matériel et logiciel

Afin de développer ce dispositif, nous allons utiliser une Raspberry Pi 3 associée à une carte réceptrice, qui communique avec 4 balises composées chacune d'un microcontrôleur et d'une carte émettrice radio (UWB5C) et alimentées par batteries. La carte réceptrice joue le rôle du drone à localiser et communiquera les données émises par les balises vers l'ordinateur via Bluetooth.

Choix technologiques

Voici les technologies que nous utilisons pour chacune des parties de ce projet.

   1) Serveur de collecte des données:
      Scanne et parse les données récupérées pour fournir la matrice D des distances relatives du tag aux 4 balises
       - API
       - Python / Serveur Flask

   2) Serveur de localisation (fourni):
      Calcule grâce à l'algorithme de localisation et la matrice D les positions spatiales des 4 noeuds et du tag
       - API
       - Bootstrap
       - Jquery
       - Python

   3) Interface utilisateur:
      Affiche courbes, visualisation 3D, boutons ou données des fichiers envoyées par le serveur de localisation
       - HTML5 / Javascript
       - Fichiers JSON (serveurs de collecte et de localisation)

Calendrier prévisionnel

Liste des tâches à effectuer

Se documenter sur le projet
1. Langages et technologies utilisées
2. Matériel utilisé
3. Mettre en place du travail sur le Git
Réaliser le serveur de collecte
1. Récupérer les trames envoyées par bluetooth par le TAG via la Raspberry Pi
2. Intégrer le serveur de localisation pour interpréter les trames
3. Tester et optimiser
Réaliser l'interface Web utilisateur
1. Implémenter le serveur de collecte et de localisation
2. Afficher et traiter les données stockées dans les fichiers JSON via le serveur (temps différé + temps réel)
3. Tester et optimiser

Replanification du cahier des charges / calendrier

Feuille d'heures

Tâche	Prélude	Heures S1	Heures S2	Heures S3	Heures S4	Heures S5	Heures S6	Heures S7	Heures S8	Heures S9
Cahier des charges / Wiki / Gitlab	4h	3h	1h	x	1h30	1h	2h	1h	2h30	1h
Documentation sur les technos utilisées	2h	4h	3h	2h	3h	4h	5h	5h30	4h30	3h30
Documentation sur le matériel	2h	1h	1h	2h	1h	x	x	x	x	x
Recherche et développement du serveur de collecte	x	1h	2h	3h	3h30	4h	5h	7h	4h30	0,5h
Recherche et développement de l'interface Web	x	2h	1h	3h	5h	6h	4h	7h	5h30	2h30
Recherche et intégration du serveur de localisation	x	x	x	x	x	x	x	x	x	x
Intégration des différentes parties	x	x	x	x	2h	2h	2h	3h	1h30	x
Tests et débuggage	x	1h	2h	1h	1h	1h	2h	3h	4h	0,5h
Optimisation/Correction des programmes

Avancement du Projet

Phase préparatoire

Jeu 21/09/17 - Ven 22/09/17

Rendez-vous de mise au point du cahier des charges avec les encadrants/intervenants (M. ZHENG Gang et M. DAGHER Roudy)
Elaboration du cahier des charges
Elaboration de la page Wiki (préparation de la mise en page et présentation du sujet)
Préparation du travail sous forme de Mind Map

Nous nous sommes tout d’abord rendus au laboratoire de l'INRIA afin de pouvoir définir le plus précisément possible le cahier des charges avec nos tuteurs. Nous avons donc défini avec eux les technologies qu'il faudrait étudier. Vous retrouverez le choix des technologies dans la partie choix technologiques

Nous avons en même temps créé notre page Wiki, et structuré celui-ci avec les parties qui nous seraient utiles pour développer nos explications par la suite.

Nous avons de plus découpé le travail en sous-parties que nous avions mis dans un Mind map afin d'y voir plus clair sur la ligne à suivre.

Vous trouverez ce Mind map juste ci-dessous. Nous ne mettrons pas à jour ce Mind map chaque semaine mais il est fort probable que nous en referions un en milieu de projet pour pouvoir cibler les objectifs réussis et ceux à atteindre. Nous pourrons de plus redéfinir certains objectifs qui nous aurait semblé trop vague au début du projet.

Semaine 1

Jeu 28/09/17 - Ven 29/09/17

Revue du Cahier des Charges avec les encadrants
Lecture et recherches sur les technologies adaptées
Construction de la suite de la Mind Map
Création du Gitlab

Nous commençons les recherches sur le projet et sur les premières technologies engagées dans celui-ci. Nous en profitons pour formuler des à présent des questions sur le bon choix de celles-ci. Nous commençons donc des tests ayant seulement pour but de nous familiariser avec l'environnement de travail et de réellement comprendre les fonctions déjà présentes qu'il faudra exploiter et implanter notre interface web. Nous créons un gitlab avec notre tuteur et commençons a définir les taches premières sur celui-ci. Nous en profitons pour affiner le Mind Map.

Semaine 2

Jeu 05/10/17 - Ven 06/10/17

Précisions sur le cahier des charges
Listage du matériel
Recherche et détermination de solutions technologiques possibles pour les fonctions demandées
Début du travail sur le serveur de collecte
Apprentissage du langage Python et de l'utilisation du framework Flask

Nous avons finalisé les précisions sur le cahier des charges. Nous avons donc pu cibler le matériel dont nous nous servirons pour ce Projet. Vous trouverez donc cette liste la section correspondante. Il est évident que le matériel utilisé est dans l'ensemble déjà fourni par le laboratoire et qu'il nous reste dans l'ensemble à créer l'interface web et les API qui nous permettrons de faire communiquer cette interface avec la Raspberrypi et le serveur de position déjà créé. Nous avons donc pu commencer a ce former sur les technologies qui nous serviraient par la suite. Nous avaons donc utilisé le cours d'openclassroom sur les serveur flask pour en apprendre les bases. Ce serveur flask est programmé en python et nous permets donc une grande liberté au niveau de l’exécutions de certains scripts. En effet les script de connexion bluetooth et de redirection de port qui nous permette de recuperer les données de distance sont eux meme codé en python et sont directement appelé via le serveur. Dans ce serveur, représentant notre interface web, vous retrouverez la page /collecte qui représentera notre partie collecte de données ainsi que l'affichage de ces distances. Nous appellerons cette partie le serveur de collecte.

Semaine 3

Mer 11/10/17 - Jeu 12/10/17

Recherche et développement initial du serveur de collecte de données
Complément du Git sur les tâches à effectuer

Nous avons commencé à créer un serveur flask renvoyant pour l'instant une matrice aléatoire. Lors de la requête URL "../matrice", nous voyons bien une matrice aléatoire apparaître sur la page Web. Nous essayons de nous connecter à la Raspberry Pi en redirigeant son port série vers le Bluetooth de façon à récupérer de vraies matrices de distance entre le drone (ie commutateur central) et les balises. Nous pourrons afficher ensuite ces matrices, ou alors les stocker dans un fichier en attendant le traitement de celles-ci.

Nous avons plusieurs problèmes avec le Bluetooth pour se connecter avec la Raspberry Pi. Quand nous aurons réussi à nous connecter au port série de la Raspberry pi alors nous pour gérer le traitement des données récupérées.

Semaine 4

Mer 18/10/17 - Jeu 19/10/17

Configuration de la Raspberry Pi car problèmes de connectivité Bluetooth rencontrés
- Nous arrivons à connecter la Raspberry Pi sous Windows mais la connexion sous Linux pose problème (travail en suspens en attendant la disponibilité de l'encadrant)
Début du développement de l'interface Web
- Traitement d'une matrice dans un fichier JSON
- Affichage sous forme de tableau de la matrice
- Utilisation du serveur de requête en Python avec chargement de template HTML
- Mise en forme de la trame de la page en HTML/CSS avec le framework Bootstrap
- Ajout d'un set de distances (d1, d2, d3, d4) dans la matrice lors d'un appui sur un bouton Chargement en utilisant un fichier Javascript

Nous Avons reçus des fonctions pythons de notre tuteurs afin d'obtenir une connexion bluetooth entre notre raspberrypi et notre ordinateur ainsi qu'une redirection de port de celle ci vers la connexion. Nous n'arrivons pas à utiliser ces fonctions sous linux et nous necessitons une explication de notre tuteur n'etant pas disponible a ce moment. Pour ne pas perdre de temps nous nous attaquons la creation de l'interface web a proprement parler. c'est a dire la création des pages html ainsi que le document javascript qui nous servira de bibliotheque de fonctions.chaque route de notre serveur sont relié a une series de fonctions python s'executant a l'apelle des url puis suivis d'un template de la page HTML en question. Nous en profitons de plus pour explorer le framework CSS bootstrap afin de mettre un premier design et une structure a notre page collecte qui sera la page principale de notre site pour ce début de projet.

Nous nous essayons de plus à différents tests sur des fichiers de format Json que nous devrons réussir à traiter correctement plus tard dans notre projet. Nous récupérons une matrice que nous créons nous même en python (simulation d'une série de distances récupérée) que nous transformons au format Json pour ensuite l'afficher sur notre page web. Pour pouvoir proprement afficher se fichier Json renvoyé vers notre page, nous nous servons du fichier javascript afin de créer du code html contenant la matrice.

Semaine 5

Mer 25/10/17 - Ven 27/10/17

Résolution des problèmes de connectique Bluetooth sur la Raspberry Pi
Développement de l'interface Web
- Traitement d'une matrice dans un fichier JSON
- Début de l'ajout d'un set de distances depuis une matrice contenue dans un fichier JSON

Nous avons pu nous entretenir avec notre tuteur et donc comprendre les fonctions de connexion et de redirection de port. Nous pouvons donc continuer le développement de notre interface web. Nous arrivons à traiter un set de donné au format json et à l'afficher dans le code html. Toutefois nous créons nous mème ce set, il est maintenant nécessaire que nous arrivions à récupérer les set de distance réels reçus par la connexions bluetooth. Nous commencerons par un traitement asynchrone. L'idée est d’enregistrer les sets de distances dans un fichier Json stocké dans un dossier. Nous appellerons ce dossier plus tard via une requête ajax.

Semaine 6

Mer 08/11/17 - Ven 10/11/17

Travail sur le serveur de collecte des données
- Mise en place de la communication entre le port série de notre machine et le port série de la carte via Bluetooth de la RPi3
- Récupération et traitement (parse) manuels des données de distances dans un fichier .log via TCP/IP<->Bluetooth
- Début de l'automatisation du procédé par script Python (requete.py) et mise en place de sockets de communication
Développement de l'interface Web
- Chargement sur commande d'un set de distances depuis une matrice contenue dans un fichier JSON
Travail sur le layout du site

Semaine 7

Mer 15/11/17 - Ven 17/11/17

Travail sur le serveur de collecte des données
- Récupération et traitement (parse) manuels des données de distances dans un fichier .log via TCP/IP<->Bluetooth
- Automatisation du procédé par script Python (requete.py)
  - Mise en place de sockets de communication pour le contrôle de la collecte -> abandonné (servait à commander la collecte manuellement)
  - Développement d'un script engine.py regroupant les commandes exécutables par l'utilisateur via la page Web
  - Début du travail sur la fonction "STOP" manuel d'une action de collecte de données (liaison entre script html, javascript, et script python)
Développement de l'interface Web
- Chargement sur commande d'un set de distances depuis une matrice contenue dans un fichier JSON
- Travail sur le layout du site
  - Ajout des différentes commandes (connexion bluetooth, lancement commande cu, collecte des données, collecte durée donnée)
  - Début de l'implémentation de la visualisation des fichiers .json obtenus après collecte et affichage dans un tableau matriciel du fichier sélectionné

Semaine 8

Mer 22/11/17 - Ven 24/11/17

Travail sur le serveur de collecte des données
- Automatisation du procédé de collecte par script Python (requete.py qui fait appel à engine.py)
  - Développement d'un script engine.py regroupant les commandes exécutables par l'utilisateur via la page Web
  - Travail sur la fonction "STOP" manuel d'une action de collecte de données (liaison entre script html, javascript, et script python)
  - Mise en place d'un serveur HTTP Simple sous Python pour accéder aux fichiers de données à partir de la page Web
  - Mise à jour de fonctions de connexion
Développement de l'interface Web
- Travail sur le layout du site (ajout de pages, navigation entre les pages, apparence, nettoyage des codes)
- Bon fonctionnement de l'ensemble serveur collecte + serveur HTTP + client Web
- Affichage de la liste des fichiers de données de distance (log, csv, json) via serveur HTTP en Python sur port 9999
Corrections et nettoyage du dépôt GIT

Semaine 9

Mer 29/11/17 - Jeudi 30/11/17

Travail sur le serveur de collecte des données
- Automatisation du procédé de collecte par script Python (requete.py qui fait appel à engine.py)
  - Travail sur la fonction "STOP" manuel d'une action de collecte de données (liaison entre script html, javascript, et script python)
  - Recherches sur l'utilisation de fichiers json accessibles via le serveur HTTP
Développement de l'interface Web
- Travail sur le layout du site
- Travail sur la liaison entre fichiers json et affichage Web des données de distance
  - Recherches et tests de solutions
    - Affichage depuis un fichier
    - Affichage à la volée lors d'une action de collecte

Revue de code avec Roudy DAGHER:
- Structure globale des codes ok
- Fonctionnement presque ok: fonctionnalités implémentées ok, mais parsage csv ne marche pas
- Refactoring nécessaire
- Correction de la fonction STOP et amélioration de la fonction de COLLECTE
- Faire plus de requêtes Javascript que de requêtes HTML
- Discussion pour l'implémentation du serveur de localisation (= algorithme de localisation) et des visualisations de données sur le site Web