Autonomous Navigation in Dynamic Environments : A Trajectory Deformation Approach

Navigation autonome en environnement dynamique : une approche par déformation de trajectoire

Vivien Delsart (1)

1 E-MOTION - Geometry and Probability for Motion and Action

This thesis presents a navigation method in uncertain and dynamic en- vironment. More precisely, it consists in determining the motion of a robot from an initial position to a goal one, while preventing the robot to collide with the other agents evolving in its environment. Between deliberative approaches - consisting in determining a priori a complete motion to the goal - and reactive approaches - computing a new motion to execute at each time step during the robot navigation - have arisen the motion deformation approaches, combining a motion planning method with a reactive obstacle avoidance process. Their principle is simple : A priori complete motion is planned up to the goal and provided to the robotic system. During the course of the execution, the remaining part of the motion to execute is continually deformed in response to information provided by the sensors. The robot is consequently able to adapt its motion to the behaviour of the moving obstacles or to the incompleteness of its environment knowledge. Most of the existing motion deformation methods only deform the geometric path followed by the robot. We propose thus to extend the previous approaches to a trajectory deformation approach that modify the followed motion either in space or time. To do it, trajectory deformation reason on an estimation of the future motion of the obstacles. By preventing the trajectory followed by the robot to collide with a forecast model of the future motion of the obstacles, the robotic system may anticipate their motion. As the deformed trajectory is arbitrarily modified in time and space, one of the major difficulties of the approach is to keep the motion constraints of the robot satisfied along the trajectory. In that aim, a trajectory generation approach with a final time constraint has thus been developed. By discretizing the deformed trajectory in a sequence of state-times, the trajectory generation process allows to check if a feasible motion exists between each triplet of successive state-times, and should the opposite case occur they are modified to restore the connectivity of the deformed trajectory. The trajectory deformation and trajectory generation with final time constraints have been illustrated by simulation results, and a few experiments have been proceeded on an automated wheelchair.

Cette thèse aborde le problème de navigation d'un système robotique en environnement dynamique et incertain. Plus particulièrement, elle s'intéresse à la détermination du mouvement pour un robot, permettant de rejoindre une position donnée tout en assurant sa propre sécurité et celle des différents agents qui l'entourent. Entre approches délibératives - consistant à déterminer à priori un mouvement complet vers le but - et approches réactives - calculant au cours de la navigation un mouvement à suivre à chaque instant - ont émergé les approches de déformation de mouvement, combinant à la fois une planification de mouvement globale avec un évitement d'obstacles réactif local. Leur principe est simple : un chemin complet jusqu'au but est calculé à priori et fourni au système robotique. Au cours de l'exécution, la partie du mouvement restant être exécutée est déformée continuellement en réponse aux informations sur l'environnement récupérées par les capteurs. Le système peut ainsi modifier son parcours en fonction du déplacement d'obstacles ou de l'imprécision et l'incomplétude de sa connaissance de l'environnement. La plupart des approches de déformations existantes se contentaient de modifier uniquement le chemin géométrique suivi par le robot. Nous proposons alors d'étendre les travaux précédents à une déformation de trajectoire modifiant le mouvement suivi à la fois dans l'espace et dans le temps. Pour ce faire, nous proposons de raisonner sur le futur en utilisant une estimation du comportement futur des obstacles mobiles. En éloignant la trajectoire suivie par le robot du modèle prévisionnel du comportement des obstacles, il est ainsi possible d'anticiper leur mouvement. La trajectoire déformée étant modifiée arbitrairement dans l'espace et dans le temps, l'une des principales difficultés de cette approche consiste à maintenir le respect des contraintes sur le mouvement du robot le long de cette trajectoire et sa convergence vers le but. Une approche de génération de trajectoire avec contrainte sur le temps final a été développée dans ce but. En discrétisant la trajectoire déformée en une séquence d'états-temps successifs, le générateur de trajectoires permet de vérifier si un mouvement faisable existe entre chaque triplé d'états-temps de la trajectoire déformée, et dans le cas contraire de la modifier localement afin de restaurer sa faisabilité. Les approches de déformation et de génération de trajectoire proposées ont été illustrées en simulation puis quelques expérimentations ont été réalisées sur une chaise roulante automatisée.

Mots clés: Navigation autonome; évitement d'obstacles; déformation de trajectoire; environements dynamiques; Autonomous navigation; obstacle avoidance; trajectory deformation; dynamic environments

Domaines: Automatique / Robotique

Vivien Delsart. Navigation autonome en environnement dynamique : une approche par déformation de trajectoire. Automatique / Robotique. Université de Grenoble, 2010. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00592259⟩