WO2018042131A1

WO2018042131A1 - Véhicule autonome compliant et procédé de commande associé

Info

Publication number: WO2018042131A1
Application number: PCT/FR2017/052312
Authority: WO
Inventors: Faiz BEN AMAR; Christophe Grand; Arthur BOUTON
Original assignee: Université Pierre et Marie Curie; Centre National De La Recherche Scientifique
Priority date: 2016-08-31
Filing date: 2017-08-31
Publication date: 2018-03-08
Also published as: FR3055256B1; FR3055256A1

Abstract

L'invention concerne un véhicule autonome comportant un châssis et des pattes porteuses, chacune desdites pattes étant composée d'au moins deux segments, un segment supérieur, connecté audit châssis par un premier pivot, un segment inférieur portant en son extrémité inférieure une roue, et connecté audit segment supérieur par un second pivot; ledit segment inférieur étant en outre relié par deux ressorts antagonistes à une poulie solidaire du châssis, de sorte à exercer une raideur angulaire autour d'une position d'équilibre correspondant à une orientation verticale du segment inférieur; et, ledit segment supérieur étant relié par deux autres ressorts antagonistes, au niveau dudit premier pivot, à une poulie motorisée, solidaire dudit châssis, adaptée pour exercer un contrôle du moment exercé sur ledit segment supérieur autour d'une position nominale correspondant à une orientation horizontale dudit segment supérieure, ledit contrôle du moment étant déterminée à partir d'une mesure d'un premier angle formé par le segment supérieur par rapport à sa position nominale, d'une mesure d'un second angle formé par le segment inférieur par rapport à sa position d'équilibre, et de l'assiette dudit châssis.

Description

VÉHICULE AUTONOME COMPLIANT ET PROCÉDÉ DE

COMMANDE ASSOCIÉ

DOMAINE DE L'INVENTION

L'invention est relative au domaine des véhicules autonomes, ou robot, et plus particulièrement celui des véhicules adaptés à la circulation sur des terrains divers, non préalablement préparés pour la circulation et susceptibles de comporter des obstacles.

CONTEXTE DE L'INVENTION

Le domaine de l'invention est celui des robots mobiles, ou véhicules autonomes, pouvant se déplacer sur un sol ni préparé pour la circulation ni connu à l'avance, de façon autonome

Les sols non préparés sont des sols accidentés, généralement des sols naturels, qui peuvent donc présenter des aspérités, des irrégularités et des obstacles. Un véhicule peut être déstabilisé ou entrer en butée sur ces accidents du terrain, et il doit être à même de pouvoir les franchir de façon autonome, c'est-à-dire, sans l'aide d'un intervenant humain. Il doit pour cela avoir une structure physique adaptée, mais aussi un système de contrôle- commande appropriée pour estimer et modéliser les difficultés auxquelles le véhicule fait face, au moyen de capteurs, et contrôler en conséquence les actionneurs (ou « actuateurs ») pour permettre le franchissement.

Un champ d'application est par exemple celui des robots astromobiles, tels que le véhicule Curiosity pour l'exploration de la planète Mars. Mais ces véhicules autonomes peuvent trouver des applications sur Terre également en dehors des routes et des terrains artificiellement aménagés pour la circulation des véhicules, tels que pour des applications d'observation et d'intervention civile ou militaire. Différentes techniques sont habituellement mises en œuvre.

Certains véhicules autonomes se présentent sous la forme de véhicules massifs, souvent à 4 ou 6 roues, dont le poids et la présence de degrés de libertés supplémentaires dans le châssis assurent le contact de toutes les roues avec le sol et la compensation de certaines irrégularités du terrain. Afin d'assurer l'isostatisme du système, les liaisons sont dépourvues d'actionneurs mais plutôt d'organes visco-élastiques.

D'autres véhicules autonomes cherchent à déterminer leur environnent avant de progresser afin de positionner des pattes porteuses à des emplacements appropriés du terrain permettant d'assurer leur stabilité et leur progression.

Ces solutions ne sont toutefois pas pleinement satisfaisantes pour diverses raisons.

Tout d'abord, certaines solutions doivent mettre en œuvre des capteurs pour déterminer leur environnement, c'est-à-dire typiquement des caméras vidéos, des caméras de profondeur ou encore l'utilisation de balayage laser. Ce type de mécanisme augmente le coût du véhicule, car la ou les caméras doivent être de suffisamment bonne qualité pour permettre une modélisation de l'environnement. En outre, les meilleurs modélisations ainsi obtenues ne sont en général pas suffisamment précises, nécessitent des puissances de calcul conséquentes qui augmentent les ressources à embarquer dans le véhicule et donc son coût, une imprécision de la carte du terrain obtenue, mais aussi une incertitude sur la position du véhicule à chaque instant dans cette carte. Ces solutions peuvent en outre ne pas permettre des temps de réaction suffisamment courts pour une bonne conduite autonome du véhicule.

D'autres solutions se basent sur une connaissance a priori du terrain ou sur des hypothèses le concernant. En général, les solutions de la technique ne sont pas totalement efficaces en ce qu'elles n'évitent pas des positions de blocage ou de perte d'équilibre.

Cela peut être le fait de la rencontre d'un obstacle pour lequel le robot n'a pas été préparé, ou d'un écart entre le terrain réel et sa modélisation préalable, par exemple.

RÉSUMÉ DE L'INVENTION

Le but de la présente invention est de fournir un véhicule autonome robotisé palliant au moins partiellement les inconvénients précités.

Plus particulièrement, l'invention vise à fournir un véhicule possédant des grandes capacités de franchissement de sols accidentés et plus particulièrement d'obstacles francs tels qu'une marche. Elle permet un contrôle autonome de l'assiette du véhicule sans connaissance a priori de la géométrie du sol, ainsi que l'application de stratégies d'adaptation au contact même des obstacles.

A cette fin, la présente invention propose un véhicule autonome comportant un châssis et des pattes porteuses, chacune desdites pattes étant composée d'au moins deux segments,

un segment supérieur, connecté audit châssis par un premier pivot , un segment inférieur portant en son extrémité inférieure une roue (R), et connecté audit segment supérieur par un second pivot;

ledit segment inférieur étant en outre relié par deux ressorts antagonistes à une poulie solidaire dudit châssis, de sorte à exercer une raideur angulaire autour d'une position d'équilibre correspondant à une orientation verticale du segment inférieur; et,

ledit segment supérieur étant relié par deux autres ressorts antagonistes, au niveau dudit premier pivot, à une poulie motorisée, solidaire dudit châssis, adaptée pour exercer un contrôle du moment exercé sur ledit segment supérieur autour d'une position nominale correspondant à une orientation horizontale dudit segment supérieure, ledit contrôle du moment, τ, étant déterminée à partir d'une mesure d'un premier angle, θ_b' formé par le segment supérieur par rapport à sa position nominale, d'une mesure d'un second angle, θ_C, formé par le segment inférieur par rapport à sa position d'équilibre, et de l'assiette dudit châssis.

Suivant des modes de réalisation préférés, l'invention comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes qui peuvent être utilisées séparément ou en combinaison partielle entre elles ou en combinaison totale entre elles :

- chaque patte dispose d'un premier codeur mesurant le premier angle θ_b localisé sur ledit premier pivot, et un second codeur mesure ledit second angle et localisé sur ledit second pivot ;

- ladite assiette est déterminée par deux inclinomètres déterminants un angle de tangage, θ_y, et un angle de roulis, θ_X, du châssis, et par une élévation, p, dudit châssis déterminée comme moyenne des élongations desdites pattes dudit véhicule ;

- une action peut être déclenchée pour modifier la stratégie d'actionnement dudit véhicule en fonction des mesures des déformations engendrées par le sol sur ledit véhicule ;

- la forcé fi mesuré pour la patte i, avec i=l , 2, 3, 4 est exprimé par :

où T_c,i est le moment exercé par le segment inférieurs de ladite patte sur le châssis au niveau dudit deuxième pivot, ledit moment est donné par l'expression:

dans laquelle R_c est le rayon dudit deuxième pivot L'invention a également pour objet un procédé de commande d'un véhicule autonome selon l'invention, dans lequel un dispositif de commande détermine un moment à exercer par le biais de ladite poulie motorisée () à partir de la mesure d'un premier angle θ_b formé par le segment supérieur par rapport à sa position nominale, d'un second angle θ_C formé par le segment inférieur par rapport à sa position d'équilibre, et de l'assiette dudit châssis par l'expression :

dans laquelle

G(θ_b, θ_C) est une matrice représentant l'influence du couple de l'actionneur sur la dynamique du châssis, et G(θ_b, θ_C)⁺ sa pseudo-inverse ;

C(θ_b, θ_C) exprime l'influence sur le châssis des raideurs des ressorts au niveau des coudes ;

M(q) représente la matrice d'inertie ;

N(q, q) représente les forces gravitationnelle, centrifuge et de Coriolis ;

q représente la différence entre le vecteur d'état q et une assiette de référence, déterminée par une élévation de référence et des angles de tangage et de roulis de référence. q est la dérivée première du vecteur d'état q par rapport au temps ;

K_p et Kd sont deux matrices diagonales constituées par les gains de correction.

Suivant des modes de réalisation préférés, l'invention comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes qui peuvent être utilisées séparément ou en combinaison partielle entre elles ou en combinaison totale entre elles : ledit dispositif de commande peut déclencher une action pour modifier la stratégie d'actionnement dudit véhicule en fonction de mesures des déformations engendrées par le sol sur ledit véhicule. - la forcé fi mesuré pour la patte i, avec i=l, 2, 3, 4 est exprimé par :

où T_c,i est le moment exercé par le segment inférieurs de ladite patte sur le châssis au niveau dudit deuxième pivot (P2), ledit moment est donné par l'expression:

dans laquelle R_c est le rayon dudit deuxième pivot

L'invention a pour autre objet un programme d'ordinateur disposant d'instructions permettant la mise en œuvre du procédé précédemment décrit lorsqu'il est exécuté par une plateforme de traitement de l'information.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation préféré de l'invention, donnée à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

La figure 1 représente schématiquement un exemple d'architecture d'un véhicule autonome selon un mode de réalisation de l'invention.

La figure 2 représente un schéma d'une patte d'un véhicule autonome selon l'invention.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION

Sur la figure 1 est représenté de façon très schématique un véhicule autonome selon un mode de réalisation de l'invention. Il comporte un châssis 100 qui peut comporter un dispositif de commande 110, ainsi que 4 pattes 101, 103, 105 et 107 connectées à une extrémité au châssis 100 et se terminant, en leur autre extrémité, par des roues, respectivement 102, 104, 106 et 108. Ces 4 pattes permettent de porter le châssis et forment substantiellement un quadrilatère, typiquement un rectangle, dont le centre correspond préférentiellement au centre de gravité du véhicule autonome.

Chaque patte est composée de deux segments :

- un segment supérieur, connecté au châssis 100 par une première jonction, et sensiblement horizontal à sa position nominale, et - un segment inférieur portant la roue en son extrémité inférieure, connecté au segment supérieur par une seconde jonction et sensiblement vertical à sa position nominale.

Ces deux jonctions permettent de fournir deux degrés de compliances, un horizontal et un vertical. On appelle « compliance » la faculté d'un robot, ou d'un organe d'un robot, de réagir en fonction des forces extérieurs qui s'appliquent sur cet organe. On distingue la compliance active de la compliance passive. La compliance passive fait uniquement appel à des dispositifs mécaniques, généralement composés de ressorts, d'axes, d'articulations.... La compliance active fait intervenir une boucle de réaction entre des capteurs de force ou de torsion et un actionneur piloté par un circuit de contrôle prenant en entrée les signaux transmis par les capteurs. Autrement dit, on parle de compliance active dès lors qu'il y a un apport d'énergie supplémentaire à celle fournie par l'environnement à l'interface.

Par ailleurs, le véhicule autonome peut comporter un pivot central 109, qui peut être contrôlé par le dispositif de commande 110. Il peut notamment permettre un degré de liberté entre les sections avant et arrière du châssis 100 selon un axe de rotation perpendiculaire au plan horizontal formé par ce châssis. Cette architecture permet de modéliser au mieux la division naturelle des pattes en deux composantes, horizontale et verticale, dans l'espace.

La compliance passive selon l'axe horizontal joue un rôle dans le maintien de l'adhérence des roues au sol lors de la rencontre d'obstacles verticaux et dans leur détection par le système de commande.. La compliance verticale peut, quant à elle, être mise en œuvre par un actionneur série-élastique (ou SEA pour « Séries Elastic Actuator » en langue anglaise). Un SEA prend en entrée une force de consigne qui est comparée à une force appliquée par déformation élastique et la différence (ou « erreur ») est utilisée pour calculer la variation en position d'un actionneur linéaire.

Le ressort du SEA permet d'absorber passivement les irrégularités du terrain à hautes fréquences, et le mécanisme d'actionnement permet de contrôler les forces verticales du véhicule quelles que soient les différences en hauteur du terrain. Le contrôle en effort assure donc par la même occasion le maintien du contact de chaque roue avec le sol, puisque l'asservissement de l'élongation des ressorts réalise intrinsèquement le suivi du relief.

Ainsi, les forces verticales sont activement contrôlées tandis que la position horizontale des roues est maintenue en un point de référence, par la force de rappel des ressorts et l'assistance du contrôle en vitesse des roues.

La vitesse des roues peut en effet être modulée proportionnellement à leur écart en position.

L'invention propose en outre une mise en œuvre possible et efficace de ce principe général, en utilisant des segments liés par des pivots et actionnés par des ressorts antagonistes.

La figure 2 propose un schéma d'une patte d'un véhicule selon cette mise en œuvre de l'invention. Les trois autres pattes sont similaires à cette patte décrite et l'homme du métier est donc tout à fait à même de réaliser le véhicule autonome à partir de la description d'une patte unique.

Chaque patte comporte donc deux segments.

- le segment supérieur Ls est connecté au châssis par un premier pivot PI, permettant au segment d'être en rotation autour de l'axe du pivot dans le plan des roues, mais solidaire en translation avec le châssis. Cet arrangement forme Γ « épaule » de la patte. Ce degré de liberté vise à adapter la hauteur de la roue par rapport au châssis.

- le segment inférieur Li porte en son extrémité inférieure la roue R, et est connecté au segment supérieur par un second pivot P2. Ce second pivot permet au segment inférieur d'être solidaire du segment supérieur et en rotation autour de ce pivot, dans le plan formé par les deux segments. Cet arrangement forme le « coude » de la patte. Ce degré de liberté permet d'encaisser les efforts horizontaux exercés sur la patte.

En outre, le segment inférieur Li est relié à une poulie SI solidaire du châssis par deux ressorts khi, kh2 antagonistes, de raideur kh, de sorte à exercer une raideur angulaire autour d'une position d'équilibre correspondant à une orientation verticale du segment inférieur, quelle que soit la position du segment supérieur auquel il est relié. De la sorte, tout écart de cette position d'équilibre est possible mais entraine un mouvement de rappel. Ces ressorts antagonistes agissent en rappel autour de la position d'équilibre via le pivot P2, en exerçant des tractions antagonistes de raideur kh à une distance R_c du centre du pivot.

Cette configuration permet de n'utiliser que des ressorts linéaires en traction, ce qui est plus simple à mettre en œuvre. En outre, dans le cas du pivot P2, cela permet de déporter la référence d'orientation, qui peut alors être données par le châssis quoi que le pivot P2 n'y soit pas directement rattaché. Le segment supérieur Ls est relié à une poulie motorisée S2 solidaire du châssis par deux autres ressorts antagonistes kvl, kv2. Les deux ressorts permettent, comme pour le premier segment, de créer une raideur angulaire autour d'une position d'équilibre. Cette position est contrôlée par la rotation de la poulie motorisée S2 et peut ainsi se déplacer autour de la position nominale représentée par une orientation horizontale du segment supérieur.

La poulie motorisée S2 est en outre adaptée pour exercer un contrôle du moment τ exercé sur le segment supérieur Ls autour du pivot PI via les ressorts kvl et kv2.

L'actionnement angulaire est déterminé par un dispositif de commande à partir de mesures fournies par des capteurs disposés sur les jonctions entre les deux segments et entre le segment supérieur Ls et le châssis.

Ces capteurs comprennent

- un codeur sur l'axe du premier pivot PI, mesurant l'angle θ_b.

Cet angle est celui formé par le segment supérieur Ls par rapport à l'axe longitudinal du châssis, c'est-à-dire par rapport à sa position nominale ;

- un codeur sur l'axe du second pivot P2 mesurant l'angle θ_C. Cet angle est celui formé par le segment inférieur Li par rapport à la verticale, c'est-à-dire par rapport à sa position d'équilibre.

- un codeur sur l'axe de la poulie motorisée S2 mesurant l'angle θm, qui est l'angle de la poulie par rapport à l'orientation qui fait coïncider la position d'équilibre du segment supérieur avec sa position nominale horizontale.

Selon un mode de réalisation de l'invention, le codeur au niveau du second pivot ne peut déterminer directement que l'angle θ_b+θ_C. L'angle θ_C est déduit par différence avec l'angle θ_b mesuré par le premier codeur.

Ces capteurs sont présents sur chacune des pattes du véhicule, de sorte de 4x3=12 capteurs sont présents sur l'ensemble des 4 pattes du véhicule. En outre, deux inclinomètres, non représentés sur la figure, sont disposés sur le châssis, préférentiellement à proximité de son centre de gravité. Un inclino mètre permet de mesurer un angle de tangage θ_y du châssis. Un autre inclino mètre permet de mesurer un angle de roulis θ_χ du châssis. Une mise en œuvre pratique consiste à utiliser une centrale inertielle qui dispose d'un filtre de Kalman intégré et fournit directement ces angles filtrés.

Les filtres de Kalman font partis des techniques de filtrage bien connues par l'homme du métier dans le domaine de l'automatique et du traitement numérique du signal. Ils sont notamment exposés d'une façon générale sur la page web :

https ://fr. wikipedia.org/wiki/Filtre_de_Kalman

L'article original définissant les filtres de Kalman est. "A New Approach to Linear Filtering and Prédiction Problems" de Kalman, R. E, in Transactions of the ASME - Journal of Basic Engineering Vol. 82, p. 35-45 (1960)

Ces capteurs permettent de déduire la configuration instantanée du robot, et de disposer des informations pour maîtriser sa stabilité en toutes circonstances via le contrôle des couples appliqués aux segments supérieurs des pattes.

En particulier, ces capteurs permettent de détecter la présence d'un obstacle et d'immédiatement générer une réaction au niveau de chaque patte en déterminant un contrôle du moment à exercer par l'actionneur (c'est-à- dire la poulie motorisée S2). Ces couples sont contrôlés de façon à maintenir les valeurs des angles θ_χ, θ_y, ainsi que l'élévation p du véhicule autonome à des valeurs de référence..

Cette élévation p du véhicule peut être déduite des mesures effectuées par les capteurs mentionnés. En effet, l'élongation verticale pi de chaque patte i peut être déterminé par :

avec Lb et L_c les longueurs des segments inférieur et supérieur de la patte, et θ_b,i et θ_C,i les valeurs des angles θ_b, θ_C pour la patte i.

L'élévation p du châssis peut ensuite être déduite de ces élongations de chaque patte, en en déterminant la valeur moyenne.

On note q le vecteur d'état que le dispositif de commande doit chercher à contrôler, et τ₁, τ₂, τ₃, τ₄ les composantes selon la direction des ordonnées du couple τ déterminé par ce dispositif de commande et à appliquer sur l'actionneur précédemment évoqué.

Ainsi :

τ est donc le vecteur regroupant les quatre moments τ₁, τ₂, τ₃, τ₄ à appliquer à chacun des segments supérieurs par l'intermédiaire des actionneurs

D'une façon générale, on peut écrire l'équation suivante, qui détermine la dynamique du véhicule autonome :

dans laquelle :

G(θ_b, θ_C) est une matrice représentant l'influence du couple de l'actionneur sur la dynamique du châssis,

M(q) représente la matrice d'inertie ;

N(q, q) représente le vecteur des forces gravitationnelles, centrifuge et de Coriolis ;

q représente la dérivée seconde du vecteur d'état q, et η représente des forces de perturbation.

La matrice G(0_b, 0_c) peut s'écrire :

Selon un mode de réalisation de l'invention, on peut effectuer des approximations sur l'expression ci-dessus ainsi que sur la détermination des matrices, dès lors que les angles sont proches des angles initiaux.

Dans cette situation, la matrice G(θ_b, θ_C) peut s'écrire :

Et le vecteur C(θ_b θ_C) peut s'écrire

Autrement dit, la matrice G(θ_b, θ_C) ne dépend alors que de l'angle θ_b, et le vecteur C(θ_b θ_C) ne dépend que de l'angle θ_C.

Le dispositif de commande peut alors déterminer l'ensemble des moments à exercer par l'expression :

dans laquelle

q représente la différence entre le vecteur d'état q et une assiette de référence, déterminée par une élévation de référence et des angles de tangage et de roulis de référence. Cette assiette peut être choisie avec des angles nuls afin de répartir le poids du châssis équitablement sur les 4 pattes du véhicule ;

q est la dérivée première du vecteur d'état q par rapport au temps ; K_p et Kd sont deux matrices diagonales constituées par les gains de correction.

et G(θ_b, θ_C)⁺ la pseudo-inverse de G(θ_b, θ_C) ;

Le dispositif de commande peut ainsi recevoir les mesures des capteurs sous la forme d'un flux de données et continuellement déterminer le contrôle du couple τ à exercer par l'actionneur par le biais de la poulie motorisée S2.

En outre, au-delà de ce mécanisme de compliance de chaque patte, permettant à chaque patte de réagir en temps-réel au relief du terrain de façon individuelle, un mécanisme d'adaptation comportemental peut être mis en place afin d'adapter la stratégie d'actionnement du véhicule autonome de façon synchronisée. Il s'agit notamment de jouer sur la répartition des efforts de sustentation du véhicule, lorsqu'une équi- distribution (ou « équipartition » de l'effort) sur chaque roue ne suffit pas au franchissement d'un obstacle particulièrement abrupt se présentant. Selon ce mécanisme, une action peut être déclenchée pour modifier la répartition de l'actionnement sur les différentes pattes en fonction de mesures des déformations engendrées par le terrain sur la structure du véhicule.

L'ensemble des actions doit permettre de proposer une solution à chaque type de difficultés pouvant être rencontrées, de sorte que quelques soient les conditions dans lesquelles se trouve le robot, celui-ci puisse continuer sa progression.

Les actions élémentaires peuvent comprendre :

Modulation des efforts de sustentations indépendamment du contrôle postural.

Comme le véhicule repose sur 4 roues non alignées et est par conséquent hyperstatique, nous disposons d'un degré de liberté pour moduler la distribution des couples sur les pattes sans que cela n'influe sur le contrôle de la posture.

Balancement du châssis et passage sur trois appuis. Du point de vue de l'équilibre statique, lorsque les roues sont en prise avec un obstacle et exercent un couple, seules celles situées à l'avant pourront être totalement soulagées par la modulation des efforts décrite précédemment. C'est pourquoi il est nécessaire d'ajouter un mécanisme de basculement du châssis vers l'avant et vers le coté lorsque l'on désire soulager efficacement l'une des roues arrière.

Cette action consiste donc à modifier l'assiette de référence utilisée en consigne du contrôle postural précédemment décrit, en modifiant les angles θ_b et θ_C, de façon à incliner le robot vers l'avant et du coté opposé à la roue à libérer ou soulager. Ainsi, le centre de gravité est déplacé dans le triangle formé au dessus des trois autres roues.

Une fois la nouvelle position atteinte, la colonne correspondant à la patte à délester dans la matrice liant les couples d'actionnement au torseur des actions résultantes exercées sur le châssis est remplacée par un vecteur nul afin de supprimer l'influence de cette patte dans le calcul des couples à appliquer. A cela s'ajoute aussi le passage à un contrôle en position de la roue arrière opposée afin de garder le centre de gravité du châssis au-dessus du polygone de sustentation sans avoir à recourir à un basculement trop important.

Flexion du châssis

Le véhicule autonome peut comporter un pivot central afin de le diriger. Ce pivot central peut être exploité afin de déplacer l'écart relatif entre les positions d'équilibre des roues avant et arrière. Ceci est particulièrement utile lors d'une rencontre avec un obstacle bilatéral : il est alors possible de séquencer le franchissement de l'obstacle par les roues droite et gauche, et donc d'isoler le problème posé par l'obstacle sur une seule roue. On appelle ici obstacle « bilatéral », un obstacle se présentant simultanément (ou sensiblement simultanément) pour les roues droites et gauches du véhicule.

Lorsque le robot n'est pas soumis à une difficulté particulière et que les forces horizontales sont par conséquent bien équilibrées entre les 4 roues, le robot maintient son assiette à l'horizontale en répartissant du mieux possible les actionnements sur toutes les pattes. Comme ce mode de contrôle de référence est le plus stable et que la réalisation des actions génère un coût énergétique supplémentaire, il est préférable d'y maintenir le véhicule autonome autant que possible. La politique comportementale ne doit donc entraîner la réalisation d'une action d'adaptation globale seulement si elle considère que le véhicule a une forte probabilité de rester bloqué en ne mettant en œuvre que les mécanismes de compliance de pattes porteuses. Le pivot central 109 du véhicule autonome est utilisé pour sa direction tant qu'il ne rencontre pas d'obstacle ou bien que ceux-ci sont considérés comme pouvant être gérés et absorbés par le contrôle de la compliance équiparti. Dès qu'un mécanisme de réaction global doit être mis en œuvre, le pivot est alors en priorité utilisé pour le franchissement de l'obstacle. Une fois l'obstacle franchi, le robot peut revenir à son fonctionnement nominal et utiliser le pivot central pour corriger le cap, qui a pu être modifié pendant le franchissement de l'obstacle. Ce mécanisme présente l'avantage de ne nécessiter qu'un seul actionnement pour réaliser deux fonctions, s'appliquant de manière exclusive : le pilotage en cap du véhicule et le franchissement de certains obstacles.

L'observation des forces horizontales exercées sur les quatre roues suffit à déterminer quelle action doit permettre de franchir l'obstacle rencontré.

Un calcul de la cinématique inverse permet de connaître exactement la force horizontale exercée au bout de chaque patte à partir des moments de torsions sur les articulations de la patte. Ces moments de torsions peuvent être déduits des écarts angulaires par rapport aux positions d'équilibre des couples de ressorts antagonistes. L'ensemble des 4 forces sont ensuite ramenées à une moyenne nulle de manière à éliminer l'influence des oscillations du châssis et en conserver que les forces décrivant l'équilibre statique de la structure.

En notant fi la force horizontale mesurée pour la patte i, et i= 1,2,3, 4, on peut l'approximer par l'expressio

où T_c,i est le moment exercé par le segment inférieur de la patte i sur le châssis au niveau du deuxième pivot P2 (ou « coude »).

Ce moment est donné par l'expression :

dans laquelle R_c est le rayon du deuxième pivot

Les forces f1 , f2, f3, f4 sont positives lorsque la roue est acculée en arrière. Elles représentent respectivement la roue avant gauche, la roue avant droite, la roue arrière gauche, et la roue arrière droite.

Le choix de l'action appropriée à déclencher pour chaque situation rencontrée peut se faire grâce à un algorithme évaluant la valeur des différentes forces horizontales par rapport à un jeu de seuils. Cet algorithme peut être décrit de la manière suivante :

Si alors le dispositif de contrôle déclenche une

modulation des efforts de manière à soulager une roue avant. La roue avant à soulager est la roue gauche si fl>f2 et la roue droite si f2>fl . Une rotation lente du pivot central peut être également déclenchée dans la direction opposée. Afin d'éviter les oscillations, la direction de cette commande est maintenue égale à celle choisie lors de son déclenchement tant que le critère est rempli.

Si alors le dispositif de contrôle déclenche un

basculem

ent en avant et sur la droite pour soulager la roue arrière gauche.

Si

alors le dispositif de contrôle déclenche un basculement en avant et sur la gauche pour soulager la roue arrière droite.

Si alors le dispositif de contrôle déclenche une

rotation rapide du pivot central vers la gauche si f3>f4 ou vers la droite si f4>f3.

Les actions de basculement peuvent être combinées à la dernière action. La première action n'est quant à elle pas compatible avec les autres : lorsque plusieurs prémisses de ces règles sont remplies, elle est prioritairement appliquée.

Les seuils σa, σb, σc sont alors les paramètres de la commande qu'il convient de choisir de telle sorte que le robot exécute une action si et seulement si il s'en retrouverait bloqué autrement. Ce sont donc ces seuils qui garantissent de perdurer dans le mode de contrôle de la compliance équiparti autant que possible en limitant le déclenchement d'actions globales inopportunes au niveau du châssis.

Ces seuils peuvent être ajustés grâce à un algorithme évolutionniste pour lequel la fonction de coût s'exprime par la somme du temps mis pour franchir une série d'obstacles canoniques, le nombre de changements d'actions et le temps passé dans des modes différents de celui de référence.

Il est aussi possible de synthétiser une commande sous forme d'un réseau connexionniste en s'inspirant des relations logiques précédentes. Le choix final de l'action à exécuter se fait alors en sortie par le principe du « winner takes ail » (le gagnant prend tout). Cela a pour avantage de fournir une fonction dérivable par rapport à ses entrées, ce qui permet la mise en place d'une recherche des paramètres optimaux par descente du gradient.

Cela offre aussi une classe de politique plus générale et augmente donc la flexibilité des politiques comportementales pouvant être obtenues. En revanche, cela augmente le nombre de paramètres à régler et donc le temps d'apprentissage.

Il est également possible d'utiliser une technique d'apprentissage sans a priori sur la forme de la commande, comme un algorithme de Q-learning. Les techniques de Q-learning sont des techniques connues de l'homme du métier dans ce domaine, et par exemples exposées sur la page web :

https://fr.wikipedia.org/wiki/Q-Learning

On peut également consulter la référence originelle sur cette technologie qu'est la thèse "Learning from delayed rewards" de C. J. Watkins, Ph.D. thesis, Kings Collège, Cambridge, England, May 1989.

Dans ce cas, il s'agit de construire autant de fonctions de R4 vers R que d'actions discrètes possibles. La fonction retournant la plus grande valeur numérique à partir des quatre forces horizontales exercées sur les roues détermine l'action à exécuter. Ces fonctions peuvent être modelées grâce à des « approximateurs » de fonctions tels qu'un réseau de mélange gaussien ou un réseau de neurones. Les actions qui sont à retenir dans ce cas pour couvrir toutes les possibilités utiles sont au nombre de onze:

- mode initial de référence;

- modulation des efforts pour soulager la roue avant gauche;

- modulation des efforts pour soulager la roue avant droite;

- basculement pour soulager la roue arrière gauche;

- basculement pour soulager la roue arrière droite;

- rotation du pivot central vers la gauche;

- rotation du pivot central vers la droite;

- modulation des efforts pour soulager la roue avant gauche et rotation du pivot central vers la droite;

- modulation des efforts pour soulager la roue avant droite et rotation du pivot central vers la gauche;

- basculement pour soulager la roue arrière gauche et rotation du pivot central vers la gauche;

- basculement pour soulager la roue arrière droite et rotation du pivot central vers la droite.

Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux exemples et au mode de réalisation décrits et représentés, mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art.

Claims

REVENDICATIONS

1. Véhicule autonome comportant un châssis et des pattes porteuses, chacune desdites pattes étant composée d'au moins deux segments,

un segment supérieur (Ls), connecté audit châssis par un premier pivot

(P1),

un segment inférieur (Li) portant en son extrémité inférieure une roue (R), et connecté audit segment supérieur par un second pivot (P2);

ledit segment inférieur étant en outre relié par deux ressorts antagonistes (khi, kh2) à une poulie solidaire (SI) dudit châssis, de sorte à exercer une raideur angulaire autour d'une position d'équilibre correspondant à une orientation verticale du segment inférieur; et,

ledit segment supérieur étant relié par deux autres ressorts antagonistes (kvl, kv2), au niveau dudit premier pivot, à une poulie motorisée (S2), solidaire dudit châssis, adaptée pour exercer un contrôle du moment exercé sur ledit segment supérieur autour d'une position nominale correspondant à une orientation horizontale dudit segment supérieure,

ledit contrôle du moment (τ) étant déterminée à partir d'une mesure d'un premier angle (θ_b) formé par le segment supérieur par rapport à sa position nominale, d'une mesure d'un second angle (θ_C) formé par le segment inférieur par rapport à sa position d'équilibre, et de l'assiette dudit châssis.

2. Véhicule autonome selon la revendication précédente, dans lequel chaque patte dispose d'un premier codeur mesurant le premier angle θ_b localisé sur ledit premier pivot, et un second codeur mesure ledit second angle (θ_C) et localisé sur ledit second pivot.

3. Véhicule selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite assiette est déterminée par deux inclino mètres déterminants un angle de tangage (θ_y) et un angle de roulis (θ_X) du châssis, et par une élévation (p) dudit châssis déterminée comme moyenne des élongations desdites pattes dudit véhicule.

4. Véhicule selon l'une des revendications précédentes, dans lequel une action peut être déclenchée pour modifier la stratégie d'actionnement dudit véhicule en fonction des mesures des déformations engendrées par le sol sur ledit véhicule.

5. Véhicule selon la revendication précédente, dans lequel la forcé fi mesuré pour la patte i, avec i=l, 2, 3, 4 est exprimé par :

dans laquelle R_c est le rayon dudit deuxième pivot

6. Procédé de commande d'un véhicule autonome selon la revendication 4 dans lequel un dispositif de commande détermine un moment à exercer par le biais de ladite poulie motorisée (S2) à partir de la mesure d'un premier angle (θ_b) formé par le segment supérieur par rapport à sa position nominale, d'un second angle (θ_C) formé par le segment inférieur par rapport à sa position d'équilibre, et de l'assiette dudit châssis par l'expression :

dans laquelle

G(θ_b, θ_c) est une matrice représentant l'influence du couple de l'actionneur sur la dynamique du châssis, et G(θ_b, θ_C)⁺ sa pseudo- inverse ; C(θ_b, θ_C) exprime l'influence sur le châssis des raideurs des ressorts au niveau des coudes ;

M(q) représente la matrice d'inertie ;

N(q, q) représente les forces gravitationnelle, centrifuge et de Coriolis ; q représente la différence entre le vecteur d'état q et une assiette de référence, déterminée par une élévation de référence et des angles de tangage et de roulis de référence.

q est la dérivée première du vecteur d'état q par rapport au temps ;

7. Procédé de commande selon la revendication précédente, dans lequel ledit dispositif de commande peut déclencher une action pour modifier la stratégie d'actionnement dudit véhicule en fonction de mesures des déformations engendrées par le sol sur ledit véhicule.

8. Procédé de commande selon la revendication précédente, dans lequel la forcé fi mesuré pour la patte i, avec i=l, 2, 3, 4 est exprimé par :

dans laquelle R_c est le rayon dudit deuxième pivot

9. Programme d'ordinateur disposant d'instructions permettant la mise en œuvre du procédé selon l'une des revendications 6 à 8 lorsqu'il est exécuté par une plateforme de traitement de l'information.