Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de microtechnique, Institut d'ingénierie des systèmes I2S (Laboratoire de systèmes intelligents LIS)

Bio-inspired vision-based flying robots

Zufferey, Jean-Christophe ; Floreano, Dario (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3194.

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    Summary
    There are not yet autonomous flying robots capable of manoeuvring in small cluttered environments as insects do. Encouraged by this observation, this thesis presents the development of ultra-light flying robots and control systems going one step toward fully autonomous indoor aerial navigation. The substantial weight and energy constraints imposed by this indoor flying robots preclude the use of powerful processors and active distance sensors. Moreover, flying systems require fast sensory-motor mapping despite their limited processing power. In order to cope with those apparently contradictory constraints, our approach takes inspiration from flying insects, which display efficient flight control capability in complex environments in spite of their limited weight and relatively tiny brain. In particular, they are able to stabilise their course, avoid obstacles and control their altitude, which represents the basic mechanisms we want to have on an indoor flying robot. To achieve efficient flight control, insects rely essentially on two sensory modalities: vision and gyroscope. They possess two low-resolution, compound eyes which are particularly sensitive to image motion (optic flow). In their visual system, some neurons are known to be responsible for detecting self-motion and impending collisions based on optic-flow. Gyroscopic information coming from two mechanosensors located behind the wings complements visual cues in tasks such as gaze and course stabilisation. In this thesis, we explore the application of such biological principles to develop navigation controllers for indoor flying robots. In particular, we address the problem of how low-resolution vision and gyroscopic information can be mapped into actuator commands in real-time to maintain altitude, stabilise the course and avoid obstacles. As an alternative to hand-crafting control systems based on biological principles, in a second phase, we take inspiration from the evolutionary process that eventually generated those animals and apply artificial evolution to search for alternative control systems and behaviours that can fit the constraints of indoor flying robots. Instead of replicating the biomechanics of insect flight, our targeted robotic platform is a fixed-wing airplane capable of flying indoors at very low speed (<1.5m/s). This testbed weights only 30-grams and is equipped with several miniature cameras and a small gyroscope. In order to progress gradually in the task of automating indoor flying robots, two other platforms have been developed, namely a miniature wheeled robot and a small indoor airship. All three robotic platforms feature very similar sensors and electronics in order to facilitate the transfer of software modules and control strategies. Applying the proposed bio-inspired approach, we succeeded in automating the steering (course stabilisation and obstacle avoidance) of the 30-gram airplane in a square textured arena. Then, using artificial evolution with the airship, we obtained alternative navigation strategies based on the same sensory modalities.
    Résumé
    Il n'existe pas encore de petit robot autonome capable de voler, à l'instar des insectes, dans des environnements intérieurs encombrés. Cette observation a motivé notre thèse qui se propose de développer des robots volants ultralégers ainsi que leur système de contrôle. Les contraintes énergétiques et les limitations de poids de ces engins volants sont telles que l'utilisation de processeurs puissants et de capteurs de distance actifs est impossible. De plus et en dépit de leur puissance de calcul limitée, les systèmes volants requièrent un traitement rapide de l'information sensorielle pour contrôler leurs actuateurs. Pour faire face à ces contraintes apparemment contradictoires, notre approche s'inspire directement de la biologie des insectes volants qui sont capables de contrôler leur vol efficacement malgré leur faible poids et leur cerveau microscopique. En particulier, ils sont à même de stabiliser leur trajectoire, d'éviter les obstacles et de contrôler leur altitude. Or, ces mécanismes représentent la base de ce qu'un robot volant devrait être capable de faire. Pour obtenir un contrôle efficace de leur vol, les insectes font principalement appel à deux modalités sensorielles : la vision et des senseurs gyroscopiques. Ils possèdent deux yeux qui, malgré une résolution très limitée, sont particulièrement sensibles aux mouvements d'image (flux optique). Certains neurones du système visuel sont spécialisés dans la détection du mouvement propre de l'insecte et des collisions imminentes. L'information gyroscopique provenant des petits capteurs mécaniques situés derrière les ailes complète le signal visuel pour stabiliser le regard et la trajectoire de l'insecte. Dans une première phase, nous explorons l'application de tels principes biologiques dans le développement de systèmes de contrôle pour des robots volants d'intérieur. En particulier, nous nous intéressons à la façon de traduire, en temps réel, les informations visuelles (faible résolution) et gyroscopiques en commandes de moteurs pour maintenir l'altitude, stabiliser la trajectoire et éviter les obstacles. Dans une seconde phase, au lieu de développer "à la main" les systèmes de contrôle nous nous inspirons du processus évolutionniste qui a généré ces insectes. Un processus d'évolution artificielle est alors utilisé pour générer des systèmes de contrôle efficaces ainsi que des comportements satisfaisant aux contraintes des robots volants d'intérieur. Plutôt que de répliquer la mécanique de vol complexe des insectes, nous avons choisi de construire des systèmes volants plus simples. La première plateforme robotique utilisée est un avion à ailes fixes capable de voler à très basse vitesse (<1.5m/s). Ce robot équipé de plusieurs caméras miniatures et d'un gyroscope ne pèse que 30 grammes. Dans le but de progresser graduellement vers l'automatisation des robots volants d'intérieur, deux autres plates-formes ont été développées : un robot à roues miniature et un petit dirigeable d'intérieur. Tous les trois systèmes sont équipés de façon similaire en ce qui concerne l'électronique et les capteurs, ceci afin de faciliter le transfert des modules informatiques et des stratégies de contrôle. En appliquant l'approche bio-inspirée proposée, nous avons tout d'abord réussi à automatiser le pilotage (stabilisation de trajectoire et évitement d'obstacle) de l'avion de 30 grammes dans une arène carrée contenant des textures sur les murs. Ensuite, en utilisant l'évolution artificielle avec le dirigeable, nous avons obtenu d'autres stratégies de navigation basées sur les mêmes modalités sensorielles.