IMA5 2019/2020 P09
Sommaire
Présentation générale
Sujet : Véhicule autonome pour cartographie
Etudiant : MEJBAR Lina
Encadrants : Alexandre Boé / Xavier Redon / Thomas Vantroys / Xavier Chenot
Description
Le secteur de l'intelligence artificielle a été beaucoup marqué durant la dernière décennie par une évolution du nombre de recherches et de publications scientifiques. Son but est de concevoir des systèmes capables de reproduire le comportement humain et son raisonnement. S'il est vrai que de domaine parait très abstrait, il possède de nombreux avantages lorsqu'on sait comment l'utiliser. Le retail, l'industrie ou encore la sécurité sont des secteurs qui deviennent de plus en plus performants lorsque l'intelligence artificielle est développée. L'objectif est de permettre une automatisation plus intelligente des tâches. Le machine learning est un champ d'étude de l'intelligence artificielle qui se fonde sur des approches statistiques pour donner aux ordinateurs la capacité d' « apprendre » à partir de données.
Objectifs
La mission sera de proposer un système autonome (véhicule mobile) capable de se déplacer dans une zone et de la cartographier. Le système doit pouvoir ensuite trouver le chemin adéquat pour se déplacer d’un point à un autre tout en évitant des obstacles fixes et/ou mobiles. Ce projet est proposé par l'entreprise Bonduelle. Le but final, serait de placer le robot dans leur entrepôt, et qu'il puisse déplacer une plaquette de produit d'un point A à un point B, tout en évitant les obstacles et en cartographiant la pièce.
Préparation du projet
Cahier des charges
Choix techniques : matériel et logiciel
Matériel mis à disposition par Polytech :
- VL6180X Distance Sensor
Matériels mis à disposition par Bonduelle :
- Robot kit : Yahboom Professional 6WD UNO R3 smart robot kit compatible with Arduino . Carte Arduino fournie dans le kit
- Lidar 3D : Lidar-053 Eai Ydlidar X4 Lidar Laser Radar Scanner
- Carte Raspberry Pi et carte SD
- Kit pour déplacement caméra suivant deux axes
Questions
Cartographie :
→Quel taille de pièce vise-t-on ?
→ Combien de temps doit prendre la cartographie ?
→ Sous quel format doit être la cartographie ?
Intelligence Artificielle
→ Quelles formes doit reconnaitre le robot ?
Matériel
→ Proposition d'un capteur ultrason
Robot
→Trouver une solution pour le rendre plus robuste
Liste des tâches à effectuer
| Tâche | Heures S1 | Heures S2 | Heures S3 | Heures S4 | Heures S5 | Heures S6 | Heures S7 | Heures S8 | Heures S9 | Heures S10 | Heures S11 | Heures S12 | Heures S13 | Heures S14 | Total |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Analyse du projet | 2 | 2 | 1 | 5 | |||||||||||
| Recherches concernant le projet | 2 | 2 | 4 | ||||||||||||
| Montage du robot | 2 | 2 | |||||||||||||
| Formation Machine Learning | 2 | 2 | |||||||||||||
| Formation Partie Cartographie (LIDAR) | 4 | 4 | |||||||||||||
| Code Arduino | 3 | 3 | |||||||||||||
| Code Python - ML | |||||||||||||||
| Code du site Web | |||||||||||||||
| Rencontre Bonduelle | 1 | 1 | 2 | 4 | |||||||||||
| Remplissage du wiki | 2 | 1 | 2 | 5 | |||||||||||
| Rédaction du rapport | |||||||||||||||
| Total | 11 | 6 | 12 |
Calendrier prévisionnel
Etat de l'art
L’aspirateur robot IRobot I7+ est un aspirateur autonome nouvelle génération. Il se vide automatiquement dans un sac fermé pouvant contenir l’équivalent de 30 bacs. Le robot doit bien entendu récupérer la poussière, éviter les obstacles fixes (meubles, murs ..) et mobiles (personnes, animaux ..). Sa particularité est qu'il peut cartographier la maison après deux-trois passages. Ce robot est commercialisé 1200€.
Réalisation du Projet
Semaine 1 : 09-15 Septembre
Je me suis rendue mercredi au sein de l'entreprise Bonduelle à Villeneuve d'Ascq. Pour la réalisation de ce projet, Bonduelle m'a fourni un robot en Kit. J'ai commencé par le monter en suivant les instructions du mode d'emploi.
Une fois le robot monté, j'ai fait des recherches concernant les différents domaines de mon sujet :
* Robot : De nos jours, on trouve de plus en plus de nombreux kits d'assemblage de robots programmables. C'est sur l'un d'entre eux, que je vais travailler dans le cadre de mon projet. Ce kit est commercialisé par la marque Yahboom. Ils vendent de nombreux modèles de robots : Char, Tank, des robots de 2 à des 6 roues. Celui sur lequel je vais travailler dans le cadre de mon projet est le robot Yahboom Professional 6WD UNO R3 smart robot kit compatible with Arduino Ce kit contient : Une caméra avant, 6 roues et 6 moteurs, une carte Arduino et une carte 6WD, une pile rechargeable.
*Carte 6WD :
Yahboom 6WD carte d'extension intelligente pour Uno et Raspberry Pi. La carte d'extension 6WD est conçue avec trois prises d'entraînement de moteur et supporte jusqu'à trois modules d'entraînement de moteur. Chaque module peut conduire deux moteurs. Chaque moteur peut être contrôlé indépendamment, et 6 moteurs peuvent produire 6 vitesses différentes en même temps, réalisation contrôle indépendant. La carte d'extension 6WD prend en charge quatre contrôleurs populaires, y compris Raspberry Pi, Arduino, STM32, 51, etc.
Semaine 2 : 16 - 22 Septembre
Pendant la deuxième semaine de projet, j'ai majoritairement fait des recherches sur internet concernant mon projet. Le projet étant porté sur l’IA (Intelligence artificielle) et notamment les réseaux de neurones artificiels, la formation actuelle en IMA ne donne pas les connaissances nécessaires. Je vais donc passer une bonne partie du temps à me former pour apprendre son fonctionnement.
● Recherche Machine Learning
- Un neurone artificiel peut se décomposer en :
- - Des entrées
- - Une fonction d’activation
- - Une sortie
On appelle potentiel du neurone la somme des entrées pondérées par leurs poids.
Si l’on a Xi la i−ème entrée d’un neurone et Wi le poids qui lui est associé, alors le potentiel du neurone est :
Fichier:P09 ML1.png
Pour calculer la sortie du neurone, on applique au potentiel une fonction qui peut être continue ou non.
Il est donc possible de connecter la sortie d’un neurone à l’une des entrées d’un autre neurone, c’est de cette façon que l’on peut former un réseau de neurone.
- Il existe ensuite plusieurs fonctions d’apprentissage, qui permettent de modifier les poids des connections entre les neurones. La modification des poids entraîne un changement dans la sortie du réseau de neurone. Il existe différents types d’apprentissage pour les réseaux de neurones :
- - Apprentissage supervisé : Plusieurs échantillons, représentant le contexte dans lequel se situe le neurone, sont présentés au réseau de neurones. Chaque échantillon est donné avec une sortie qui devrait être la même que la sortie calculée. Le réseau de neurone va alors se corriger selon la différence entre la sortie donnée et la sortie calculée par le réseau.
- - Apprentissage par renforcement : Plusieurs échantillons sont aussi présentés au réseau de neurones. Lorsque la sortie du réseau de neurone n’est pas celle voulue, le réseau est notifié de son erreur, mais aussi de sa réussite en cas de succès. Contrairement à l’apprentissage supervisé, le réseau ne peut pas connaître la valeur de son erreur en comparant sa sortie calculée avec une sortie donnée.
- - Apprentissage non supervisé : Lors de cet apprentissage, on présente aussi plusieurs échantillons. Cette fois-ci, le réseau essaye de dégager lui-même des caractéristiques communes à certaines entrées, pour répondre en conséquence. Le réseau établit lui-même différentes classes d’entrées.
● Lecture de thèses
Construire une carte intérieure de façon autonome avec une auto localisation du robot dans la carte générée par ce dernier représente en ce moment un vrai point de recherche dans le domaine de la robotique mobile. Faire face à un environnement inconnu ou qui change est un problème qui se nomme SLAM (Simultaneous localization and mapping). C'est le sujet sur lequel porte cette recherche.
- Définition :
- - 'Odométrie ': Technique permettant d'estimer la position d'un véhicule en mouvement grâce à des capteurs embarqués permettant de mesurer le déplacement des roues du robot.
- Solution proposée par l'article : Faire correspondre les structures en utilisant la similarité des formes. Dans un premier temps, ils utilisent un laser range scanner (LIDAR/ Télémètre laser) qui génère un fichier de points. Par la suite ils font abstraction de la positions des points et utilisent les méthodes des tangentes et des histogrammes angulaires qui permettent de détecter les similitudes entre les scans.
- Définition :
- - Fuzzy Logic (FL) : Logique floue est une logique polyvalente où les valeurs de vérité des variables - au lieu d'être vrai ou faux - sont des réels entre 0 et 1. En ce sens, elle étend la logique booléenne classique avec des valeurs de vérités partielles. Elle consiste à tenir compte de divers facteurs numériques pour aboutir à une décision qui prend en compte plus de facteurs.
- - Adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS) : Le système d'inférence neuro-fuzzy adaptatif ANFIS combine les avantages du réseau neuronal artificiel (ANN) et de la logique floue (FL), constituant ainsi un meilleur système d'approximation des fonctions non linéaires. Il a été proposé que ANFIS coopère avec EKF afin de réduire le déséquilibre entre la covariance théorique et réelle des séquences d’innovation. En fait, la qualité de l’estimation EKF est déterminée par les informations a priori des matrices de covariance de processus (Qk) et de bruit de mesure (Rk).
- - Simplified Complex-Value Neural Network (SCVNN) : La valeur complexe simplifiée Neuro-Floue égalise le nombre de couches de règles et de divisions dans la couche d'entrée. L'augmentation du nombre de paramètres d'entrée n'augmentera pas le nombre de règles. Dans l'intervalle, le format QNF simplifié permet à un réseau neuro-flou d'avoir une vitesse de calcul plus rapide avec moins de ressources occupées et un temps d'exécution moins important, indispensables à tout système informatique de grande taille en temps réel.
- - Extended Kalman Filter (EKF) : C'est une modélisation basée sur les fonctionnalités utilisant un algorithme de maximum de vraisemblance et une approche statistique pour l'association de données et l'association de données probabilistes. L'approche typique pour simuler la localisation et la cartographie en temps réel est généralement effectuée à l'aide de filtres de Kalman et de la méthode de Monte Carlo séquentielle, dans laquelle le résultat n'est pas satisfaisant en termes de quantité volumineuse d'entrées, de temps de traitement long et de performances médiocres en termes de précision. C'est depuis longtemps un algorithme populaire utilisé dans SLAM, en particulier avec les systèmes non linéaires.
- Solution proposée par l'article : Nouvelle approche pour la localisation du robot et la cartographie en vue d'améliorer le stockage des données d'entrées.
Semaine 3
* Premier pas du robot
Comment roule le robot ? Le robot possède 6 roues reliées à six moteurs à courant continu.
- - Un moteur à courant continu fonctionne à l'aide du principe de la PWM (Pulse Width Modulation), c'est de cette façon qu'il est possible d'agir sur la vitesse et le sens de rotation du moteur. Il faut utiliser les pins de sorties digitales de l'Arduino, on les reconnaît car elles ont le symbole " ~ ". On les commande avec une fonction de l'Arduino qui va prendre une valeur entre 0 et 255 :
analogWrite(pin,valeur);
où pin est le pin PWM choisi et mis en mode OUTPUT, et valeur est la valeur comprise entre 0 et 255 qui va définir la part de temps pendant laquelle le pin sera à l’état HAUT durant chaque intervalle (255 correspondra à 100% du temps d’intervalle à l’état HAUT)
- - Pour permettre le déplacement du robot, il faut lui fournir de l'énergie séparée pour l'Arduino et les moteurs. Ce principe est assez utilisé en électricité. Cela permet de séparer le circuit de commande et le circuit de puissance. Le circuit de commande envoie des informations binaires à une tension qui est celle de l'Arduino (+5 V) et un ampérage souvent faible (de l'ordre de 40 mA). L'alimentation de ce circuit est réalisée par une batterie (pile 9 V). Le circuit de puissance fournit l'énergie nécessaire pour faire fonctionner la charge.
* Code
void setup(){
pinMode(pinMoteur,OUTPUT);
}
void loop(){
digitalWrite(pinMoteur,HIGH); //le moteur se lance
delay(1000);
digitalWrite(pinMoteur,LOW); //le moteur s'arrête
delay(1000);
}
* Rendez-vous Bonduelle
Nous avons décidé de remplacer l'Arduino par un ESP32, un microprocesseur qui possède deux coeurs, ce qui lui permet de gérer simultanément deux tâches à la fois. Nous avons défini les objectifs pour les prochaines semaines et pour la première soutenance. Dans un premier temps, il faudra que je me concentre sur la réception et le traitement des données du LIDAR.
* Lidar
L'entreprise propose un logiciel avec le LIDAR X4 qui fonctionne uniquement sous Windows. Ce logiciel permet visualiser les résultats du scan réalisé avec le LIDAR, avec une visualisation en 2D/3D des points. N'ayant pas de machine sous windows, il fallait trouver une autre façon de traiter les données.
Une autre méthode est de télécharger l'outil ROS (Robot Operating System) Kinetic. Cependant cet outil n'est pas opérationnel sous Debian, il est en cours d'expérimentation : le seul OS supporté est Ubuntu.
Un code est fourni avec le LIDAR et peut être téléchargé ici , voici les données récupérées :
On peut voir que un tour complet du LIDAR permet d'obtenir 656 valeurs de distances. Il y a donc en moyenne 1.8 mesures de distance par degrés.
