P45 Aide à la navigation d'un véhicule autonome

Description du projet

Le RobuTAINeR est un véhicule poids lourd, omnidirectionnel, sur-actionné et électrique a été développé dans le cadre du projet InTraDE pour le transport du fret à l’intérieur d’espaces confinés portuaires. Ce dernier est autonome et s’adapte à l’environnement d’exploitation. Pour assurer une autonomie de navigation précise, le véhicule dispose d’un système GPS pour son positionnement. Malheureusement le signal GPS est souvent perturbé dans un environnement portuaire, par la présence de conteneurs, bâtiments, arbres,..etc. Dans le cadre de ce projet, on se propose de tester la faisabilité de corriger la navigation du véhicule autonome par un drone volant à proximité. Le drone va échanger avec le véhicule à chaque fois que ce dernier diverge de sa trajectoire, après une perte de l’information GPS ou bien pour une autre cause.

Cahier des charges

Conditions d'utilisation

Pour cette étude de faisabilité, l'environnement de fonctionnement sera très simplifié. C'est-à-dire que le drone ne sera utilisé que dans de bonnes conditions météorologiques et que l'espace dans lequel il se déplace sera dépourvu de tout obstacle. Pour les conditions atmosphériques, le vent devra être faible pour que le drone puisse facilement suivre le RobuTAINeR et le temps devra être beau (en effet le drone n'est pas prévu pour effectuer un vol par temps pluvieux). Au niveau des obstacles, le port est un environement dangereux pour le drone. La présence de câbles aériens, de murs de conteneurs, ainsi que de grues rendent le survol à basse altitude risqué.

Définition des besoins

Le drone devra être capable de recevoir un signal GPS et de l'interpréter. Ce qui veut dire que le drone devra emporter l'équipement nécessaire pour qu'à partir du signal GPS et d'autres capteurs, il puisse en déduire sa position (coordonnées GPS , altitude, orientation). L'autonomie requise pour le drone devra être d'une trentaine de minutes.

Spécifications techniques

Afin de ne pas perturber le comportement du drone et de ne pas réduire son autonomie, l'équipement nécessaire à l'accomplissement de sa mission sera séparé de son équipement d'origine. L'appareillage devra donc avoir sa propre source d'énergie, ses propres capteurs et une gestion des données séparée. L'ensemble devra également respecter l'autonomie demandée. La communication entre le drone et le RobuTAINeR devra être de bonne qualité et résistante au milieu portuaire (émission et réception dans un environement sujet aux perturbations). Le drone devra effectuer un vol stabilisé au dessus du RobuTAINeR à une altitude d'environ 30 mètres.

Le véhicule autonome et le drone

Le RobuTAINeR

Éléments ajoutés sur le RobuTAINeR pour le projet

Il s’agit du premier véhicule robotisé capable de naviguer de manière autonome et sûre en se ren- dant d’un point à un autre grâce à un itinéraire préétabli. En programmant ses déplacements, le robot va augmenter les cadences et aider les acteurs portuaires à gagner en productivité. Le RobuTainer s’adapte à l’environnement existant tout en limitant les risques de dysfonctionnement grâce à ses 8 roues motorisées (soit 4 pour la traction et 4 pour la direction). Il embarque des capteurs laser qui détectent les obstacles ou les piétons, une centrale inertielle cou- plée à un récepteur GPS pour se repérer dans l’espace, un émetteur et un récepteur GSM reliés à l’ordinateur de bord. « RobuTainer est piloté automatiquement ou manuellement par le docker. Il fait l’objet d’un suivi à distance par un serveur dédié qui comporte également des fonctions de simulation pour programmer ses missions. L’objectif étant de doper la compétitivité des ports du nord-ouest de l’Europe situés le long du littoral partant de l’Irlande jusqu’au Pays-Bas. Une région où les acteurs portuaires souffrent d’un manque d’espace, d’une congestion du trafic et de la pollution.

Le drone

Éléments ajoutés au Drone pour le projet

Le drone est le moyen qui a été choisi pour aider le RobuTAINeR à naviguer dans le port. Il permet de survoler les murs de conteneur.
Pour ce projet nous allons utiliser un drone quadricoptère le Walkera QR x800. C'est un drone avec une bonne autonomie de vol (environ 40 min) et dont la forme permet facilement l'ajout de materiel supplémentaire.
Il aura pour principale mission d'assurer la continuité du signal GPS. C'est à dire que lorsque le RobuTAINeR sera sur le point de perdre le signal GPS, le drone relaiera le signal GPS (comme le fait un satellite).

Les points-clés du projet

1. Localiser la position du drone à l'aide des coordonnées GPS, de la centrale inertielle et de l'altimètre.
2. Repérer le RobuTAINeR depuis le drone grâce à la caméra.
3. Calculer les coordonnées GPS du RobuTAINeR à partir des informations récupérées lors des deux précédentes missions
4. Gérer les communications entre le RobuTAINeR et le drone

Historique du projet

• Semaine 1 :
  • Établir le cahier des charges;
  • Rechercher les composants nécessaires;
  • Commander les composants;

Pour la recherche des composants, j'ai bénéficié de l'aide et de l'expérience de M. Merzouki et M. Coelen. Cette commande devait être prête pour la fin de la semaine afin de recevoir le plus rapidement les composants.

• Semaine 2 :
  • Rechercher de la documentation sur le système d'exploitation Raspberry

N'ayant pas reçu les composants, la deuxième semaine a été axée sur la recherche de documentation et plus précisément sur la Raspberry.

• Semaine 3 :
  • Rechercher de la documentation pour le traitement d'images;
  • Rechercher la composition et la transmission d'un signal GPS;
  • Vérifier les composants à la réception de la commande.

En début de semaine, j'ai continué mon travail de recherche en particulier sur les domaines que je maîtrisais mal. En fin de semaine, une grande partie des composants avait été reçu. J'ai donc pu identifier les problèmes liés au composants (exemple : le boitier de la Raspberry qui n'était pas le bon).

• Semaine 4 :
  • Installer le système d'exploitation Raspbian sur la carte SD de la Raspnerry
  • Installer les différentes librairie nécessaire faire du traitement d'image

L'installation du système Raspbian sur la Raspberry c'est déroulé sans encombre. J'en ai profité pour installer les librairies nécessaires au test de la caméra prévu pour la semaine suivante.

• Semaine 5 :
  • Tester la camera de la Raspberry

Lors de cette semaine, je me suis concentré sur la caméra de la Raspberry (capacité de traitement, qualité de l'image, traitements possibles). J'ai écrit plusieurs programmes afin de tester son fonctionnement (prise de photos à intervalle régulier, enregistrement de vidéos).

• Semaine 6 :
  • Recherche dans le but de faire un programme de reconnaissance de "cible" (forme, couleur), pour que le drone puisse localiser le RobuTAINeR

• Semaine 7 :
  • Ébauche un programme de reconnaissance de "cible" (forme, couleur), pour que le drone puisse localiser le RobuTAINeR

À la fin de cette semaine, M. Merzouki et moi avons décidé de mettre cette partie du projet en pause et de se focaliser sur deux autres tâches; le drone (capteur de pression et GPS) et la communication.

• Semaines 8 et 9 :
  • Recherche de documentation sur l'altimètre et le module de radio-communication.
  • Réalisation du schéma simplifié du boitier de protection des composants embarqués sur le drone

Durant ces deux semaines, je n'ai pas eu beaucoup d'heures attribuées au projet, j'ai donc principalement fait des recherches dans le but de faciliter le travail sur les composants de la semaine suivante.

• Semaines 10 et 11 :
  • Soudure de l'altimètre (BMP180)
  • Écriture du programme de l'altimètre
  • Vérification du fonctionnement

Mon travail lors de ces deux semaines s'est concentré sur l'altimètre. Au final, j'ai un programme qui renvoie les informations suivantes, température, pression atmosphérique et altitude. Cependant, les tests réalisés ont mis en évidence un problème au niveau de l'altitude. Alors que le capteur reste sur le bureau, la différence entre l'altitude maximale et minimale observée sur une dizaine de mesures est de 8m.

• Semaine 12 :
  • Soudure des composants
  • Travail sur le GPS
  • Test et vérification des réglages de la télécommande du drone (sans utiliser le drone)

• Semaine 13 :
  • Rédaction du rapport intermédiaire de projet de fin d'étude
  • Réalisation de la présentation intermédiaire de projet de fin d'étude

• Semaine 14, 15 16 :
  • Vérification du bon fonctionnement du drone (test en extérieur, vol court < 5 min à basse altitude < 5 m)
  • Rédaction d'un manuel d'utilisation simplifié pour PFE (Drone, télécommande, Raspberry)
  • Réalisation d'un schéma de boitier pour transporter l'ensemble des composants sous le drone

• Semaine 17 :
  • Centrale inertielle
  • Test de communication avec la centrale inertielle
  • Fabrication d'un prototype de boitier en carton pour embarquer l'ensemble des composants sous le drone

• Semaine 18 :
  • Module radio Xbee
  • Programme liaison série (PC -> module radio et Raspberry -> module Radio)
  • Réalisation d'un second prototype de boitier pour embarquer l'ensemble des composants sous le drone
  • Réalisation de vols d'essai du drone (3 min et 4 min), à une altitude moyenne comprise entre 15 et 20 m.

• Semaine 19 :
  • Communication entre les deux modules radio Xbee.
  • Vérification de la quantité d'information transmise par les modules radio Xbee et de la portée
  • Reprise du programme de traitement d'images

Sources, Aides et Rapport

Lien vers le site InTraDE (Intelligent Transportation for Dynamic Environment)
http://www.intrade-nwe.eu

AIDES :

Installation de "RASPBIAN" sur la carte SD à partir d'un MAC OS
http://www.raspberrypi.org/documentation/installation/installing-images/mac.md

Programmer une raspberry pi à partir d'un MAC via SSH
http://the-raspberry.com/ssh-raspberry-pi

Configuration du bus I2C sur la Raspberry Pi
https://learn.adafruit.com/adafruits-raspberry-pi-lesson-4-gpio-setup/configuring-i2c

Comprendre les trames GPS (NMEA)
http://www.gpspassion.com/forumsen/topic.asp?TOPIC_ID=17661

Communication série :
https://jeffskinnerbox.wordpress.com/2012/12/05/raspberry-pi-serial-communication/

RAPPORT :

Rapport intermédiaire du projet de fin d'études :
Fichier:Rapport Mi-PFE Apperce Pierre.pdf