Field Assessment of Force Torque Sensors for Planetary Rover Navigation

La sensation du sol : Comment les robots apprennent à « marcher » sur des mondes extraterrestres

Imaginez que vous conduisiez une voiture sur une route de terre cahoteuse. Vous ne pouvez pas voir les nids-de-poule devant vous, mais vous pouvez les ressentir. Votre siège tremble, le volant vibre et vos pneus s'enfoncent dans la boue. Ce sentiment est la façon dont votre voiture vous dit : « Hé, le sol est mou ici ! » ou « Attention, ce rocher est dur ! ». Pour les humains, c'est facile ; nos corps sont remplis de capteurs qui nous disent comment nous nous déplaçons et ce que nous touchons. Mais pour un robot envoyé sur une planète lointaine comme Mars, les choses sont beaucoup plus difficiles. Ces robots, appelés rovers, sont comme des explorateurs aveugles. Ils comptent sur des caméras pour voir et des ordinateurs pour réfléchir, mais ils manquent souvent d'un bon sens de la « proprioception » — le sens interne de la position de leurs membres et de la façon dont ils interagissent avec le monde.

Pour naviguer en toute sécurité, les rovers utilisent généralement une unité de mesure inertielle (IMU). Considérez une IMU comme un oreille interne de haute technologie ; elle indique au robot s'il penche, s'il tremble ou s'il accélère, mais elle ne lui dit pas exactement avec quelle force ses roues poussent contre le sol. Il existe un autre type de capteur appelé capteur d'effort (FTS). Si l'IMU est l'oreille interne, un FTS est comme un bout de doigt super sensible. Il peut mesurer précisément la force appliquée et dans quelle direction. Les scientifiques se demandent depuis longtemps : donner à un rover martien ces « bouts de doigts » sur ses roues pourrait-il l'aider à mieux comprendre le terrain, à éviter de s'embourber dans le sable et à conduire avec plus d'assurance ? C'est la grande question à laquelle les chercheurs ont cherché à répondre.

Le robot avec des « bouts de doigts » sur ses roues

Dans cette étude, une équipe de chercheurs a emmené un robot nommé MaRTA (Martian Rover Testbed for Autonomy) dans un semi-désert en Espagne qui ressemble beaucoup à la surface de Mars ou de la Lune. MaRTA est un robot à six roues, mais avec une particularité : au lieu d'avoir seulement une caméra et une oreille interne, il possède six « bouts de doigts » (capteurs d'effort/FTS) montés sur ses jambes, juste au-dessus des roues. L'équipe a conduit MaRTA sur différents types de sols — terre meuble, sable compressé, graviers, roche solide — à diverses vitesses et angles. Leur objectif était de voir si les données provenant de ces « bouts de doigts » pouvaient aider le robot à identifier le type de sol sur lequel il marchait et la qualité de son adhérence à la surface.

Le robot peut-il « sentir » le sol ?
Les chercheurs ont découvert que la réponse est un « oui » catégorique, mais avec quelques nuances. Lorsqu'ils ont utilisé les données des capteurs d'effort pour apprendre à un programme informatique à reconnaître le terrain, le robot est devenu très performant. En fait, les capteurs étaient étonnamment doués pour faire la différence entre les « graviers » et la « roche », une tâche où l'« oreille interne » (l'IMU) du robot peinait. Les capteurs pouvaient détecter les minuscules vibrations et les forces qui se produisent lorsqu'une roue roule sur un gravier par rapport à une roche plate. L'équipe a testé cela en utilisant deux « cerveaux » informatiques différents : une machine à vecteurs de support (SVM) et un réseau de neurones (NN).

Lorsqu'ils ont utilisé le réseau de neurones avec les données du capteur d'effort, le robot a correctement identifié le terrain environ 96,17 % du temps. C'était une amélioration considérable par rapport à l'utilisation de la seule IMU, qui ne réussissait qu'environ 79,35 % du temps. Mieux encore, en combinant les « bouts de doigts » (FTS) avec l'« oreille interne » (IMU), la précision est montée à 96,76 %. Les « bouts de doigts » étaient particulièrement efficaces pour repérer le terrain difficile des « graviers », qui confondait souvent les autres capteurs. Il semble que le fait d'avoir des capteurs directement sur les jambes donne au robot une « sensation » du sol bien plus détaillée que de simplement ressentir tout le corps trembler.

Le robot peut-il mesurer sa « traction » ?
L'équipe a également essayé d'utiliser ces capteurs pour mesurer ce qu'on appelle la « traction à la barre » (drawbar pull). Imaginez un cheval tirant une charrette ; la traction à la barre est la force que le cheval utilise pour traîner la charge. Pour un rover, cela nous indique l'adhérence des roues. Si les roues patinent dans le sable, la traction est faible. Si elles accrochent la roche, la traction est élevée. Les chercheurs espéraient lire ce chiffre directement à partir des capteurs.

Cependant, cette partie de l'expérience a été beaucoup plus désordonnée. Le sol est accidenté, le robot vibre, et les capteurs ont capté beaucoup de bruit. L'équipe a constaté qu'elle ne pouvait pas simplement lire un chiffre unique pour connaître la traction. Au lieu de cela, elle a dû être très ingénieuse. Elle a réalisé qu'en examinant la géométrie de la jambe du robot, elle pouvait filtrer les données bruyantes. Ils ont calculé une « longueur de levier » (la distance entre le capteur et l'endroit où la roue touche le sol) et n'ont examiné que les moments où cette longueur était stable, entre 10 cm et 17,5 cm.

En procédant ainsi, ils ont observé des modèles. Sur un sol meuble et mou, la force était d'environ 10 N (Newtons). Sur le sable compressé, elle était d'environ 20 N. Sur un terrain rocheux, les chiffres variaient énormément. Bien que cela ne leur ait pas donné une mesure parfaite et instantanée de la traction, cela suggérait un moyen de trouver des moments « de qualité » dans les données où la mesure pourrait être fiable. Les auteurs suggèrent que pour obtenir une lecture véritablement précise, les tests futurs devront mesurer la traction avec un outil externe pour voir si leurs calculs correspondent à la réalité.

Devrait-on mettre ces capteurs sur chaque rover ?
Voici le point le plus important : les chercheurs soutiennent que, bien que ces capteurs soient incroyables pour les bras robotiques (comme ceux utilisés pour prélever des échantillons), ils pourraient être trop coûteux et difficiles à utiliser pour les roues d'un rover standard. Les vibrations liées à la conduite rendent les données difficiles à interpréter pour des choses comme la mesure de la traction. L'équipe suggère que pour une conduite simple, il serait préférable d'utiliser des capteurs moins chers qui mesurent l'électricité dans les moteurs (ce qui indique également l'effort fourni par la roue).

Cependant, il existe un cas particulier où ces « bouts de doigts » sont très utiles : si le rover doit pratiquer la « marche sur roues » (wheel walking). C'est une façon sophistiquée de dire que le robot lève ses roues et enjambe des obstacles, comme une personne qui marche. Dans ce mode, les capteurs montés au-dessus de la roue sont parfaits pour mesurer la façon dont le robot fait un pas. Ainsi, bien qu'ils ne soient peut-être pas le meilleur choix pour une conduite standard, ils pourraient être l'arme secrète d'un robot devant franchir un terrain très difficile.

En fin de compte, l'article suggère que ces capteurs sont un outil puissant pour comprendre le terrain, surtout lorsqu'ils sont combinés à d'autres données, mais qu'ils ne sont pas une solution miracle pour tout. Ils fonctionnent mieux lorsque le robot se déplace lentement et prudemment, et ils pourraient devoir être placés différemment (directement dans le moyeu de la roue) pour donner l'image la plus claire possible de l'interaction du rover avec le sol extraterrestre.