Les capteurs extéroceptifs et proprioceptifs pour la robotique

La proprioception désigne chez l’homme la perception, consciente ou non, de la position des différentes parties du corps. L’extéroception, par opposition à la proprioception, regroupe les sensations causées par des stimuli extérieurs (vue, odorat, ouïe…). Ce sont ces phénomènes qui permettent à l’homme de se déplacer dans un environnement et d’avoir conscience de sa localisation.

Quels sont les différents types de capteurs ?

Selon ce même principe, les robots mobiles (i.e. capables de locomotion, par opposition aux robots manipulateurs) embarquent différents types de capteurs proprioceptifs et extéroceptifs pour effectuer différentes fonctions.

Pour différencier ces deux catégories de capteurs, il faut au préalable définir les caractéristiques générales importantes pour leur utilisation en robotique mobile.

Tous les capteurs sont caractérisés par une fréquence d’acquisition (temps de réponse), une résolution de mesure, un bruit sur la grandeur physique mesurée (défini par sa répétabilité) … Aussi, le principe de mesure définit si le capteur réalise une mesure absolue (toujours par rapport à un référentiel connu) ou relative.

Les caractéristiques précédentes sont généralement associées au principe de mesure intrinsèque de chaque capteur et/ou au coût acceptable de ces capteurs. On retrouve par exemple différentes technologies de capteurs de mesure de distance (laser, ultrason, etc.) ayant des propriétés différentes (résolution, réflectivité…) et un coût différent.

Us sensor vs. TOF sensor. (Capteurs non représentatifs du matérial utilisé chez Innowtech.)

Les capteurs proprioceptifs et les capteurs extéroceptifs

Les capteurs proprioceptifs permettent de mesurer l’état du robot lui-même (position ou vitesse des roues, charge de la batterie, etc.) tandis que les capteurs extéroceptifs permettent de mesurer l’état de l’environnement (cartographie, température, etc.).

Du point de vue du roboticien, les capteurs extéroceptifs regroupent principalement les capteurs de mesure absolue, ayant une fréquence d’acquisition généralement plus faible que les capteurs proprioceptifs. L’exemple le plus connu est sans doute le GPS.

Cette règle n’est cependant pas une vérité générale mais peut aussi dépendre de l’utilisation du capteur.

Les capteurs extéroceptifs et proprioceptifs en pratique

Prenons le cas de l’accéléromètre (mesure d’une accélération) ; ce dernier peut être défini comme extéroceptif s’il mesure l’accélération due à la gravité, tandis qu’il sera défini comme proprioceptif s’il mesure l’accélération d’un robot.

La différence entre les mesures absolues et relatives est fondamentale pour un robot. Les mesures absolues comportent une incertitude de mesure fixe et bornée (souvent plus grande que celle des capteurs relatifs) tandis que les mesures relatives (possédant souvent des incertitudes de mesure faibles) sont utilisées de façon cumulative à l’image de l’odométrie. En conséquence, les capteurs relatifs finissent tôt ou tard par fournir des informations qui dérivent de façon croissante et non bornée.
Une solution pour palier à ce problème est de combiner ces différents types de capteurs (on parle alors de fusion des capteurs) pour permettre l’obtention de données plus sûres (avec une incertitude bornée) et les plus précises possibles. Cet objectif peut être imagé par l’utilisation des centrales inertielles (ou IMU pour Inertial Measurement Unit).

Exemple de l’IMU

Cet objet regroupe généralement des accéléromètres, des gyromètres (relatifs, proprioceptifs, mesurant une vitesse angulaire) et un magnétomètre (absolu, extéroceptif, mesure d’angle par rapport au nord magnétique). Le magnétomètre (aussi appelé boussole magnétique) compense la dérive du gyromètre (selon l’axe du lacet) mais n’est en revanche pas capable de détecter des mouvements angulaires aussi finement que le gyromètre. Les accéléromètres permettent quant à eux de compenser la dérive du gyromètre selon les axes du tangage et du roulis en déduisant la direction de la gravité terrestre (mesure absolue). Dans ce cas là, la fusion de capteurs proprioceptifs et extéroceptifs permet d’obtenir des données d’orientation très fréquentes, stables et précises.

Illustration du Lacet/Tangage/Roulis

Les capteurs extéroceptifs et proprioceptifs chez INNOWTECH

Nos robots-capteurs évoluent dans des environnements contraignants grâce à une fusion judicieuse de capteurs proprioceptifs et extéroceptifs en combinant les avantages de chacun et permettant de répondre aux contraintes des environnements sévères et aux besoins métrologiques (liés aux précisions de mesure).

Étant donné les contraintes des environnements sévères, certains capteurs sont prohibés (e.g. : impossibilité d’utiliser un GPS à l’intérieur d’une centrale nucléaire). Il faut donc étudier chaque cas pour définir la combinaison de capteurs appropriés en termes de précision désirée, d’utilisation dans un environnement contraint, et de coûts.