Une Approche Géométrique pour Estimer la Mesure de Couverture de la Zone Explorée par un Robot

A Geometrical Approach to Estimate the Coverage Measure of the Area Explored by a Robot

• Auteur / Autrice : Maria Luiza Costa Vianna
• Direction : Sylvie Putot, Éric Goubault, Luc Jaulin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Signal, Images, Automatique et Robotique
• Date : Soutenance le 21/12/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique de l'École polytechnique (Palaiseau, Essonne) - Laboratoire d'informatique de l'École polytechnique [Palaiseau] / LIX
• Jury : Président / Présidente : Nacim Ramdani
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvie Putot, Éric Goubault, Daniel Wilczak, Vladik Kreinovich, Nathalie Revol, Lionel Lapierre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Daniel Wilczak, Vladik Kreinovich

Mots clés

Mots clés contrôlés

Degré topologique

Analyse par intervalles

Robots mobiles

Mots clés libres

Robotique mobile

Exploration

Topologie

Analyse par intervalles

Mobile robotics

Exploration

Topology

Interval analysis

Résumé

Les robots mobiles trouvent des applications dans des environnements domestiques, ainsi que dans l'agriculture, où ils permettent une agriculture de précision, et dans la logistique, garantissant le transport efficace de matériaux et de marchandises. De plus, ils jouent un rôle crucial dans l'exécution d'une large gamme de tâches difficiles ou dangereuses pour les humains, étant essentiels dans les missions de couverture de zone.L'objectif principal d'une mission de couverture de zone est de traverser et d'explorer systématiquement une zone définie, en ne laissant aucune région inexplorée. Ces missions sont souvent entreprises dans des environnements présentant des risques significatifs pour les opérateurs humains, tels que des champs minés ou des zones sinistrées. Dans ce contexte, les missions de déminage et les opérations de recherche et de sauvetage sont des exemples de missions de couverture de zone avec un caractère critique pour la sécurité.Une connaissance précise de la zone explorée par un robot mobile est cruciale pour évaluer l'achèvement de ces missions. Certaines applications peuvent également nécessiter que le robot revisite une zone d'intérêt. Dans ce cas, pour vérifier si la mission est complète, il est nécessaire de déterminer combien de fois chaque partie de l'espace a été dans la zone de détection du robot.Dans ce contexte, nous introduisons le concept de mesure de couverture, qui représente combien de fois une partie de l'environnement a été explorée par un robot mobile au cours d'une mission. En plus d'évaluer les missions où il faut revisiter des points d'intérêt, la mesure de couverture est également utile pour l'optimisation des trajets et pour améliorer l'efficacité des algorithmes de localisation dans des environnements homogènes, tels que l'environnement sous-marin.De plus, nous établissons une relation entre la mesure de couverture et le degré topologique. Cette relation nous permet de proposer une nouvelle approche pour estimer la zone explorée en se basant sur les propriétés topologiques de l'environnement qui a été observé. L'incertitude associée à la mission est prise en compte grâce à l'utilisation de l'analyse par intervalles dans la formalisation du problème.La théorie et les algorithmes développés dans cette thèse sont illustrés par des expériences en conditions réelles dans l'environnement marin.

Mobile robots are increasingly being deployed across different domains. These robots find applications in domestic settings, as well as in agriculture, where they enable precision farming, and logistics, ensuring the efficient transportation of materials and goods. Moreover, they play crucial roles carrying out a wide range of challenging tasks that would be too dangerous or difficult for humans, being pivotal in area-covering missions.Area-covering missions refer to tasks where the primary objective is to systematically traverse and explore a defined area, leaving no region unexamined. Additionally, they are often undertaken in environments that pose significant risks to human operators, such as minefields or disaster-stricken areas. In this context, examples of safety-critical area-covering missions are Mine Countermeasure (MCM) missions and Search and Rescue (SAR) operations.Accurate knowledge of the area explored by a mobile robot is crucial for assessing the completeness of these missions. Some applications might also require the robot to revisit an area of interest, in this case, to verify the completion a mission, one has to be capable of determining how many times each part of the space has been in the robot's range of detection.In this context, we introduce the concept of coverage measure, that represents how many times a part of the environment was explored by a mobile robot during a mission. In adition to evaluating revisiting missions, the coverage measure is also useful for path optimization and it can be valuable for improving the efficiency of localization algorithms in homogeneous environments, such as the underwater environment.Furthermore, we establish a relation between the coverage measure and the topological degree. This relation allows us to propose a novel approach for estimating the explored area based on topological properties of the environment that has been observed. Uncertainty associated to the mission in noisy environments is taken into consideration through the use of interval analysis in the problem formalization.The theory and the algorithms developed in this thesis are illustreated through real world experiments in the marine environment.