cedric sileo : ingénieur, intelligence artificielle, docteur en sciences

jeudi | 22 juin 2017

Oeil de mouche

Un drone avec des yeux de mouche

BeeRotor est un drone capable de voler sans accéléromètre, grâce à un capteur inspiré de l’œil de la mouche. Explications.

Développé par les chercheurs en biorobotique de l'Institut des Sciences du Mouvement Etienne-Jules Marey à Marseille, BeeRotor est un drone équipé d'un oeil artificiel inspiré de celui de la mouche. Il mesure la vitesse de défilement du paysage. Expert & Ruffier (ISM, CNRS/AMU)
Un drone avec des yeux de mouche ! C’est une manière un peu rapide mais simple de décrire BeeRotor, le robot développé par les chercheurs en biorobotique de l'Institut des Sciences du Mouvement Etienne-Jules Marey à Marseille. Mais c’est surtout le premier engin capable de voler sans accéléromètre, grâce justement à son œil inspiré de celui du fameux insecte (voir encadré).
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L’exploit parlera d’abord aux amateurs d’aéronautique tant ils savent qu’un aéronef, quel qu’il soit (avion, drone, fusée etc…) ne peut normalement voler sans instruments de navigation, en particulier des accéléromètres souvent placés avec d’autres capteurs dans une centrale inertielle. Ces instruments sont indispensables, par exemple pour se stabiliser par rapport à l’horizon, ou plutôt par rapport à sa perpendiculaire, à savoir la direction du centre de la Terre. Du moins tant que l’on garde une vision classique du vol, celle de l’ingénieur en aéronautique. Car les biologistes savent, eux, que les mouches mais aussi les abeilles, n’utilisent pas d’accéléromètre ou du moins un équivalent biologique qui leur permettrait de mesurer l’accélération de la pesanteur. Et pourtant, elles volent.

FLUX OPTIQUE. En fait, elles utilisent leurs yeux pour exploiter une autre information, la vitesse de défilement du paysage, ce que les scientifiques appellent le flux optique. « Cette vitesse varie en fonction de l’altitude. Elle peut donc être utilisée pour contrôler le vol », explique Franck Ruffier, l’un des concepteurs de BeeRotor.Pour bien comprendre cette notion de flux optique, il suffit de s’imaginer à bord d’un avion volant à 10 000 mètres d’altitude à 900 km/h. Quand un passager regarde le sol par le hublot, il a l’impression que le paysage défile lentement. Par contre, si son avion était autorisé à faire du rase-motte à la même vitesse, il verrait le paysage défiler extrêmement vite ! Ainsi, quand un engin vole à vitesse constante, si la vitesse de défilement du paysage augmente, c’est qu’il l’engin se rapproche du sol. A l’inverse, si elle diminue, c’est qu’il prend de l’altitude.

Chez la mouche, ce sont les yeux qui servent d'instrument de navigation pour le vol

Les chercheurs marseillais se sont donc inspirés de l’œil de la mouche pour concevoir un capteur capable de mesurer ce flux optique pour gérer notamment l’altitude. Cet œil artificiel installé sur la tête du drone, ressemble à une sorte d’ovale allongé recouvert de 24 pixels - 6 regardent vers le bas et l’arrière, 6 vers le bas et l’avant, 6 vers le haut et l’avant et 6 vers le haut et l’arrière. L’œil couvre donc un champ assez large : du sol au plafond, vers l’avant et un peu vers l’arrière.

TÊTE ORIENTABLE. Les pixels mesurent le flux optique en détectant les variations de contraste de l’environnement. "Ils sont arrangés par paires. Comme chez la mouche, nous mesurons la vitesse de passage d’un élément du décor d’un pixel à l’autre", explique Franck Ruffier. Grâce à son électronique embarquée, BeeRotor va alors pouvoir se piloter par lui-même. Mais ce pilotage exige trois boucles de rétroaction, véritables réflexes du robot. Le premier fait varier l’altitude pour suivre à bonne distance le plancher mais aussi le plafond s’il y en a un. La deuxième boucle va, elle, gérer la vitesse du drone. Enfin, une troisième boucle sert à régler finement l’orientation de la tête de manière à suivre le relief. Par exemple, si le drone s’approche d’une pente importante, son œil verra le flux optique augmenter vers l’avant alors qu’il changera peu sur les faces ventrales et dorsales. S’il ne réagit pas assez vite - par exemple en ralentissant et en prenant de l’altitude – il risque de se crasher. L’orientation de la tête en fonction du relief permet donc d’anticiper les obstacles en les détectant plus tôt.

Pour le moment, l’œil de BeeRotor reste une technologie de laboratoire. Le drone vole parfaitement, évite les obstacles qui se présentent sous lui et maintient une distance de sécurité entre le sol et le plafond du tunnel expérimental du laboratoire de biorobotique de Marseille. Mais il tourne en rond, accroché à un bras qui ne lui laisse que trois degrés de liberté dans ses mouvements : l’avancement, l’altitude et le tangage. Or, un véritable aéronef doit aussi gérer la dérive latérale, le lacet et le roulis.

RÉTROACTION. Les chercheurs de Marseille travaillent justement sur le développement d’un nouvel œil artificiel avec une vision panoramique qui à terme permettrait d’envisager un vol totalement libre. Ces travaux intéressent aussi Airbus pour la conception d’atterrisseurs spatiaux. En cas de panne des instruments de navigation et notamment des centrales inertielles, la mesure du flux optique pourrait servir de solution de secours pour éviter le crash. Enfin BeeRotor permet aussi de mieux comprendre le contrôle du vol chez l’animal. "Nos travaux suggèrent l’existence chez l’insecte des trois boucles de rétroaction que nous avons utilisées pour ajuster le vol du drone", explique Franck Ruffier. Aux chercheurs maintenant de découvrir encore avec davantage de détails, les mécanismes nerveux et physiologiques qui contrôlent le vol de la mouche !

Principes de l'accéléromètre
L’accéléromètre mesure toutes les accélérations subies par l’engin : celles liées à ses propres mouvements mais aussi l’accélération de la pesanteur qui est justement toujours dirigé vers le centre de la Terre. C’est la gravité due à l’attraction qu’exerce naturellement la Terre sur tout ce qui l’entoure. Ainsi, sans cette information, un aéronef ne peut pas se stabiliser en vol.

Merci à Daniel !
 

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