De l'oeil élémentaire à l'oeil composé artificiel : application à la stabilisation visuelle en vol stationnaire

From elementary eye to artificial compound eye : Application to robot stabilization in hover

• Auteur / Autrice : Raphael Juston
• Direction : Stéphane Viollet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences du mouvement humain
• Date : Soutenance le 25/11/2013
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences du Mouvement Humain (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Renaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Antonini, Jean-louis Vercher
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stephane Regnier, Michel Paindavoine

Mots clés

Mots clés contrôlés

Robots -- Mouvements

Algorithmes

Animaux -- Navigation

Vision chez les animaux

Mots clés libres

Robotique Bio-inspirée

Capteur Optique de Position

Œil Composé Artificiel

Vol stationnaire

Micro Robot Aérien

Bio-inspired Robotics

Artificial Compound Eye

Position Sensing Device

Hovering flight

Micro Aerial Vehicle

Résumé

La stratégie de l'équipe biorobotique est de s'inspirer de découvertes faites en biologie chez l'insecte ailé dont la vision est adaptée à la navigation autonome dans un environnement 3D inconnu. Cette inspiration donne naissance la réalisation de capteurs visuels minimalistes permettant de rendre autonomes des robots volants, pour des tâches complexes telles que : le décollage et l'atterrissage automatiques, l'évitement d'obstacles et, dans le cas de cette thèse, le vol stationnaire.Cette thèse présente la mise en œuvre des capteurs visuels minimalistes bio-inspirés qui, grâce à des algorithmes de traitement que nous avons réalisés, sont capables de localiser la position d'objets visuels en tirant partie de propriétés souvent bannies en optique : un flou, obtenu par défocalisation, associé à un micro-mouvement rétinien actif. Nous montrons que la précision en localisation ainsi obtenue est considérablement améliorée par rapport à la résolution statique définie par l'échantillonnage spatial : ces capteurs optiques bio-inspirés sont donc dotés d'hyperacuité.Cette thèse présente aussi l'œil composé artificiel miniature CurvACE (de 2,2cm3 pour 1,75g) doté d'une vision panoramique (180x60°). Cette thèse décrit la caractérisation et la mise en œuvre du capteur CurvACE sur le robot HyperRob. En fusionnant les mesures de position données par une quarantaine de pixels couvrant un grand champ visuel, l'œil CurvACE mesure sa position par rapport à un environnement visuel texturé complexe. Nous montrons aussi que le robot volant HyperRob, attaché au bout d'un bras, stabilise son roulis et sa position, dans le plan azimutal, grâce à son œil composé artificiel doté d'hyperacuité.

The biorobotics team from the Institute of Movement Sciences (Marseille, France) takes its inspiration from biological studies on flying insects which are able to navigate into unknown 3D environments with a high maneuverability. These studies led us to build minimalist optical sensors to make aerial robots autonomous for achieving complex tasks such as automatic landing and take-off, obstacle avoidance and very accurate hovering flight depicted in this doctoral thesis. This work presents several bio-inspired visual sensors implemented with different visual processing algorithms. All these sensors are able to locate visual objects (contrasting edges and bars) with unusual properties for optical sensing devices: a blur obtained by defocusing optics related with active retinal micro-movements to improve the sensor resolution. We showed that the resolution in locating contrasting objects can be improved up to 160 fold better than the static resolution defined by the pixel pitch, which means that these bio-inspired optical sensors are endowed with hyperacuity.The thesis presents a miniature artificial compound eye CurvACE (of 1.75g for 2.2cm3) with a panoramic field of view (180x60°). This thesis describes thoroughly the characterization and the implementation of the CurvACE sensor onboard an aerial robot named HyperRob. This artificial compound eye acts as a position sensing device able to measure its position relative to a complex textured scene by fusing the position measurements obtained by 40 pixels. The tethered flying robot HyperRob (a 150-g bi-rotor with a 23-cm wingspan) stabilizes its roll and its position thanks to its hyperacute artificial compound eye.