REA – mode de propulsion du robot

Pour notre programme REA, nous développons un Rover d’Exploration Autonome.

Si nous souhaitons avoir un robot autonome qui ne soit pas une sonde immobile, il lui faut être capable de se déplacer. Nous nous intéressons ici aux robots terrestres, et nous pencherons sur les modes de déplacement utilisables pour nos robots. Nous verrons donc dans cet article chaque mode de propulsion utilisable simplement pour notre robot autonome, en expliquant leur fonctionnement, et en comparant leurs avantages et inconvénient. Le but de cette étude théorique est de dresser un panorama des solutions existantes afin de pouvoir choisir la plus adaptée à un problème donné.

Choix du mode de propulsion

Notre objectif est de pouvoir déplacer un rover dans un environnement inconnu et potentiellement hostile, de façon autonome. Pour en arriver à ce point, nous devrons tout d’abord nous intéresser aux méthodes de propulsion terrestre qui nous sont accessibles.
Sur ce point, nous pouvons envisager plusieurs solutions :

• une propulsion à pattes;
• un aéroglisseur;
• un système à roues.

Étudions ces solutions en détail.

La propulsion à pattes

Robot hexapode

Nous pourrions nous inspirer du vivant pour déplacer notre robot. De nombreux animaux parviennent en effet à se déplacer rapidement sur des terrains divers, parfois très complexes. Avec une propulsion de ce type, on peut envisager de franchir de nombreux obstacles.

La direction s’appuiera sur un contrôle précis des mouvements et des séquences de “pas”. Cependant, cette solution est relativement complexe à mettre en oeuvre, et peut être coûteuse.

Voyons rapidement les avantages et inconvénients de cette solution:

Avantages des pattes

• +franchissement de trous;
• +franchissement de reliefs;
• +précision potentielle;
• +possibilité d’utiliser les pattes pour interagir avec l’environnement;
• +possibilité d’aborder des terrains très irréguliers;
• +capacité de contrôle de l’assiette du robot (par exemple pour des photos ou de la vidéo).

Inconvénients des pattes

• -difficultés potentielles en terrain meuble;
• -complexité de réalisation (nécessite de nombreux composants);
• -complexité de programmation (nombreux organes à gérer);
• -nécessite de nombreux capteurs pour une précision optimale;
• -coût important du fait des nombreux composants requis;
• -plus de composants impliquent un plus grand risque de panne;
• -consommation énergétique relativement importante;
• -vitesse de déplacement relativement limitée.

Cette solution présente donc des avantages certains, mais n’est pas forcément adaptée à une première approche, notamment du fait de sa complexité générale et de son coût important. D’autre part, nous nous intéresserons plus tard à l’autonomie de notre robot, et dans ce contexte, nous devons chercher une solution permettant de parcourir des distances importantes pour une faible dépense énergétique.
Nous écartons donc cette solution pour le moment, mais elle n’est pas définitivement abandonnée. En effet, dans certains contextes, elle pourra fournir une très grande capacité de franchissement que nous pourrions souhaiter.

Les aéroglisseurs

Illustration de MesserWolland, cc – Wikimedia commons

Le principe est ici de faire reposer le robot sur un coussin d’air afin de réduire les frottements. De ce fait, une force très légère suffit à déplacer l’ensemble. En pratique, des soufflantes de sustentation (3) génèrent un flux d’air important (2) vers le sol. Ce flux d’air est contrôlé par une jupe (4) qui le retient partiellement sous le système. Si le flux d’air est suffisant, l’ensemble se soulève du sol.

On peut alors utilisé un système d’hélices (1)  pour déplacer horizontalement notre hovercraft. Celui ci peut alors se déplacer sur n’importe quel type de surface à peu près plane, même de l’eau.
Pour tourner, un orientera la soufflante propulsive dans une direction ou une autre, ou alors on utilisera plusieurs soufflantes que l’on contrôlera individuellement pour jouer sur la trajectoire.
Étudions brièvement les avantages et inconvénients de cette solution:

Avantages des aéroglisseurs

• +Capacité de déplacement sur des sols meubles et sur l’eau;
• +Vitesse potentiellement importante;
• +Principe relativement simple;
• +Programmation à priori simple.

Inconvénients des aéroglisseurs

• -Nécessité d’une jupe en matériau souple, qui va s’user;
• -Puissance consommée par la/les soufflantes de sustentation en permanence;
• -Difficulté d’un positionnement précis;
• -Incapacité à franchir des obstacles plus hauts que la jupe.

Les deux principaux problèmes de cette solution sont en pratique la consommation énergétique importante pour la soufflante, et les capacités de franchissement d’obstacle. Pour notre rover, puisque nous ignorons le type d’obstacles à attendre ce point pose problème, et l’autonomie en sera un autre. Toutefois, cette solution restera probablement l’une des plus performantes en environnement meuble/humide/aquatique.

Propulsion par roues

cc – Tung1213 – Wikimedia Commons

Nous nous intéresserons maintenant à la roue, invention fondamentale. Le principe est de faire tourner nos roues pour propulser le robot. Cette solution particulièrement éprouvée a été testée dans de nombreux environnements, et est fiable, efficace et potentiellement peu coûteuse en énergie.

Nous parlons ici de roues, mais nous englobons les systèmes basés sur des roues, même si elles ne sont pas forcément en contact direct avec le sol, comme pour les chenilles. Nous parlerons ici globalement des systèmes terrestres s’appuyant sur la rotation d’un dispositif plus ou moins circulaire pour se déplacer.

Penchons nous sur les points forts et faibles de l’utilisation des roues.

Avantages des roues

• +efficacité énergétique relativement bonne;
• +vitesse relativement bonne;
• +système éprouvé et fiable;
• +capacité de franchissement potentiellement intéressante (dépend de la conception);
• +grande simplicité de mise en oeuvre;
• +simplicité de programmation;
• +possibilité de contrôle précis.

Inconvénients des roues

• -capacité de franchissement limitée par les roues
• -il y aura une déclivité maximale franchissable ( -> impossible de franchir des côtes trop importantes)
• -sensible aux trous, dans une certaine mesure;

En pratique, cette solution est très intéressante pour un robot d’exploration, car elle permet une bonne efficacité énergétique, donc une bonne autonomie, une vitesse importante, et on peut adapter les capacités de franchissement. On restera en deçà des capacités atteignables avec les meilleurs robots marcheurs, mais toutefois dans une mesure raisonnable. De plus, on peut se déplacer plus vite et plus longtemps qu’avec un marcheur, on pourra donc se permettre de contourner des obstacles plutôt que de les franchir systématiquement. Enfin, cette approche est du fait se sa simplicité parfaite pour débuter.

Pour la direction, nous aurons deux approches. Soit nous utiliserons des roues directrices, à savoir capable de tourner par rapport à l’axe du véhicule, comme dans une voiture de tourisme, soit nous utiliserons un système de conduite différentielle, en faisant tourner les roues de droite et de gauche à des vitesses et dans des sens différents pour tourner. En pratique, cela à diverses conséquences.
Analyse de l’utilisation de roues directrices

L’utilisation de roues directrices est une méthode très employée pour les véhicules conduits par des humains, et moins souvent pour des robots simples. Voyons les avantages et inconvénients.

Avantages des roues directrices

• +nécessite un seul moteur pour la propulsion;
• +contrôle précis de la trajectoire simple;

Inconvénients des roues directrices

• -nécessite un système spécifique pour contrôler l’orientation des roues directrices;
• -entraîne que le robot a un rayon de braquage non nul, il ne peut tourner directement sur place;
• -on peut être amené à faire des manœuvres en plusieurs temps, plus complexes;
• -peu adaptable à un système de chenilles.

Conduite différentielle

Une autre solution est d’utiliser un déplacement reposant sur la conduite différentielle. Nous avons donc des paires de roues, à gauche et à droite, et en faisant varier la vitesse de rotation des roues et/ou leur sens, on peut faire tourner le robot plus ou moins vite, et avec un rayon de braquage plus ou moins court.

Avantages de la conduite différentielle

• +pas besoin de système complexe pour la direction;
• +programmation extrêmement simple;
• +utilisation sur roues ou chenilles;
• +rayon de braquage nul : le robot peut tourner sur place;
• +ensemble potentiellement extrêmement simple, avec peu d’éléments.

Inconvénients de la conduite différentielle

• -nécessite deux moteurs (gauche et droit – il faudra des paires si plus de 2 roues motrices).

Conclusions sur la propulsion

Au vu des spécificités de chaque solution, nous nous tournerons donc vers un système de propulsion par roues, avec l’utilisation de conduite différentielle. Cette solution à l’avantage d’être extrêmement simple, adaptable, évolutive, efficace sur le plan énergétique, robuste, relativement rapide, et pour un coût et une complexité générale très faible. Nous pourrons sur cette base construite un robot simple, efficace et performant très rapidement, tout en conservant la possibilité d’ajuster les performances et la capacité du système assez facilement. Nous utiliserons utiliserons donc cette approche pour la suite de cette phase du programme REA.

Aux prochains épisodes, nous verrons les parties suivantes :

• Choix de la motorisation;
• La transmission de la puissance.