En raison de limitations techniques, la typographie souhaitable du titre, « Mise au point d'un drone subaquatique : Cahier des charges (ce qu'on demande au robot) Mise au point d'un drone subaquatique/Cahier des charges (ce qu'on demande au robot) », n'a pu être restituée correctement ci-dessus.
Cahier des charges de l'OpenPlouf
Après une période de quelques heures sans éclusée ni passage de péniche dans une écluse, les sédiments se déposent et l'eau se clarifie (ici : Basse-Deûle en aval de Lille). La photo montre que l'ouverture d'une écluse libère alors brutalement une masse d'eau beaucoup plus turbide et/ou remet des sédiments en suspension. On ignore comment les organismes aquatiques réagissent à ce type de perturbation (de jour comme de nuit). C'est un des très nombreux phénomènes qui pourraient bientôt être étudié par un robot subaquatique adapté à ce type d'environnement (avec autorisation de VNF dans le cas présent)Aucun ROV classique de petite taille ne peut se stabiliser dans ce type de violentes turbulences. Un autre de nos défis est de stabiliser au mieux une caméra gyroscopée dans un ROV balloté dans ce type de turbulence (sous la surface où les flots de bulles d'air sont moins nombreuses et n'empêchent pas de filmer).
Ce cahier des charges "idéal" a été rédigé sans a priori ni idées préconçues quant à la forme, la puissance ou la motorisation du futur OpenPlouf. Il est améliorable par chacun et disponible pour tous sous licence cc-by-sa, ce qui signifie que si vous le réutilisez (avec ou sans usage commercial) vous devez uniquement citer la source (titre, lien http et date de version) et publier d'éventuelles nouvelles versions de ce document également sous licence cc-by-sa.
Il résulte d'arbres heuristiques construits lors de plusieurs séances de brainstorming en juin, juillet et aout 2015 et il intègre des retours d'expériences de plongeurs ou de praticiens de la photo subaquatique naturaliste.
Ce document est irréaliste selon certains d'entre nous, stimulant selon d'autres ou pourrait donner lieu à différents options à prototyper et tester in situ.
Il peut et doit être amélioré, complété. Vos idées sont bienvenues (ici ou dans la page de discussion associée)
Ces opérations doivent être faciles. Elles doivent idéalement par exemple pouvoir se faire depuis :
- berge, plage, quai, pont...
- embarcation (y compris dans les vagues)
- une station d'accueil-relai (équipée d'un système de rechargement solaire-éolien ? + recharge par induction ou autre système de Transmission d'énergie sans fil compatible avec le contexte subaquatique, éventuellement d'eau salée et ne devant idéalement pas être « négativement perçues » par les poissons en termes de champs électromagnétique pour les espèces qui y sont sensibles)
- ou le cas échéant à partir d'un petit bateau télécommandé voire d'un drone aérien porteur.
Des mouvements très doux, souples et lents sont très important au moment des prises de vues pour la qualité des images vidéo et photo d’une part ; et pour ne pas effrayer les poissons ou d'autres organismes d’autre part (=> bonne gyrostabilisation du Rov-drone et/ou des caméras).
La morphologie, texture de surface et motorisation du robot doivent minimiser le risque d'accrochage accidentel dans les branches, racines, algues ou objets immergés.
Son "intelligence" sera limitée, mais doit tant que possible l'aider à pouvoir tirer parti de la dynamique du champ d'écoulement de l'eau environnante.
3 grandes options sont testables (chacune combinée avec les 2 ou 3 options de "vessie natatoire artificielle" (en milieu vaseux notamment) :
1) hélices (combien, directionnelles ou non, à pales repliables/rétractables ou non) ;
2) "hydrojet" ? ;
3) Rov-nageur biomimétique ? (mais alors "à tête très stable" ) ;
gouvernes intelligentes (et biomimétiques ?)
éventuels boosters récupérables & rechargeables ou à énergie mécanique (ex : élastique) ou air comprimé ? (pour le drone ou le kangourou).
Remarque : quel que soit le type de motorisation choisie (hélice, tuyère ou solution biomimétique), dans les milieux lentiques et vaseux ou riches en moules zébrées il faudrait pouvoir (au moins provisoirement) éviter l'orientation directe du flux d'eau vers le fond ou vers le décor (photographié ou filmé), car il remet en suspension le sédiment fin, formant un nuage troublant l'eau et ne se redéposant que très lentement, ce qui nuit à l'image. Ceci implique une solution de type « gaz » (ou vessie natatoire gonflée par un gaz comprimé et détendu, ou généré par électrolyse pour plus de précision... avec éventuellement une dimension thermique (chaud/froid) dans le cas d'une solution plus ou moins biomimétique).
recharge de batteries par induction ? (option II ?)
air comprimé a été suggéré (mais problème des bulles pouvant effrayer les poissons et implique de rééquilibrer à étudier pour la propulsion d'une plate-forme porteuse
Commande à distance => filoguidage + « option sans fil » (type MIMO) + option « autopilote » ;
Guidage assisté par mini-sonar (évitement d'objets quand le robot recule ou évolue dans le noir avec faible éclairage, détection de poisson en approche, etc.)
Équivalent GPS (3D) avec fonction "retour maison" (option phase II) avec « enregistreur de trajet » (en option phase II) =>
Module hydrophone/microphone avec enregistreur (balayant une large gamme de longueurs d’ondes), avec plusieurs fonctions : 1) limiter risque en cas d'approche de d'hélice, de bateau ou d'une zone à risque pour le robot (ressac, bruit d'une chute d'eau...) 2) écouter des cétacés ou d'autres animaux bruyants sous l'eau (des enregistrements sonores répétés dans le temps peuvent aussi mettre en évidence la régression d'organismes émettant des sons, notamment en fin de nuit, au petit matin et en soirée)... 3) détecter le bruit de remontées de bulles de méthane...
Micro sonde de pression.Mesure de pression : pour conserver la profondeur (c'est beaucoup utilisé sur les drones aérien pour conserver l'altitude).
Voir aussi aspects interface homme-machine (commande vocale).
tenir la position stationnaire (pour vidéo et photo HD)
question cf. Gyroscope : "électronique" ou "véritable" ? Pour améliorer l'inertie
capacité d'immobilisation : ancrage possible en station longue durée (crochets rétractables ? crampons "en pic à glace" rétractables ? ou serre auto-serrantes (avec la force du courant en imitant les griffes des chiroptères)
fonction de déclenchement d'une photo ou vidéo en cas de mouvement dans le champ visuel de la caméra
capacité à suivre une "espèce cible" (option phase II ; ex : poisson, tortue ou amphibien en mouvement + dispositif de tracker permettant de rester centré sur un objet à photographier
+ options "mission programmable" et comportements d’adaptation (basiques ou plus évolués ?) (option phase II)...
Cadran avec stabilisation électronique.Capacité d'« autostabilisation » dans les turbulences de l'eau : "grossière" (pour économiser énergie) à "très fine" (durant le film, la photo ou l'échantillonnage). => Systèmes inertiels "passifs", tant que possible (voire biomimétique (ex : "vessie natatoire" ; " pecten aviaire oculaire "), sinon stabilisation caméra séparé du corps de l'apparteil comme sur les drones aériens (cadran nacelle)
sans fil => bonne communication subaquatique distante (ou via antenne-relai ?)
Simple et ergonomique (ne doit pas déconcentrer le pilote) * => facile à télécommander (ex : inclinaison de tablette, smartphone ou joystick. + gestion de caméra)
avec retour visuel
écran et/ou casque 3D
certaines informations pourraient être 'lues" (audio) plutôt que s'afficher sur l'écran. + quelques commandes vocales ? (ex : « photo, film, stop… »)
Fonction "SOS". Leds clignotantes et possibilité de déclencher un vibreur ou flux de bulle ou système de sauvegarde (en cas de tentative d'ingestion par un silure par ex) (à étudier)
Ex de photo macro : Statoblastes (propagules) du bryozoaire d'eau douce Cristatella mucedo ici agglomérés les uns aux autres et formant un petit radeau flottant dérivant avec le vent. La flèche montre une configuration anormale de statoblaste ; la mise au point de l'objectif sur ce genre de détails est très difficile à assurer quand il y a un courant (même léger)Absorption de la lumière selon la profondeur (et selon la longueur d'onde, phénomène pouvant être partiellement informatiquement corrigé au moment de la photo)Dispositif électronique de mesure ultrasonique de distance
Idéalement l'OpenPlouf devrait pouvoir
"Voir" en eau parfois très trouble : deux problèmes coexistent : 1) manque fréquent de lumière ; 2) plancton et/ou les particules en suspension qui d'une part « diffusent » et « rétrodiffusent » la lumière des flash (ou torches) et d'autre part cachent en partie la cible de la photo. => Un éclairage déporté est nécessaire. Dans une eau calme, il est aussi possibilité d'injecter une "bulle d'eau filtrée" devant l'objectif en mode macro ou proche). Certains logiciel permettent une correction significative de l'image. Option grand-angle et option macro souhaitée + possibilité de provisoirement larguer/déporter le module caméra (dans une anfractuosité par exemple) ;
Fonction Macrophoto (voire quasi-microscopie ?) Deux grandes options semblent possible : 1) une lentille capable de s'approcher de l'objet à photographier (avantage : moins de colonne d'eau et donc image plus nette en présence de microplancton ou nanoplancton ou de turbidité minérale ; inconvénient image plus déformée et aberrations chromatiques) ; 2°) utilisation d'un véritable objectif macro (inconvénient : coût, poids élevé, besoin accru de lumière et de stabilisation et besoin accru d'injecter de l'eau filtrée entre la cible et l'objectif photographique). Ex (photo 2) : observation de statoblastes de cristatelles , ici agglomérés les uns aux autres et formant un petit radeau flottant dérivant avec le vent ou susceptible d’être avalé par un canard, une poule d'eau ou d'autres animaux semi-aquatiques ;
Pointage laser à la demande ; bleu ou vert, double (pour mesure de la distance) ;
Vision binoculaire (réglable pour la distance et la largeur de champs, avec convergence réglable) à la demande ? pour vidéo ou image 3D, ou champ élargi (vision à 60 à 150 ° + fonction 380° ?) (avec renvoi vers visiocasque affichant aussi informations des capteurs) ;
Renvoi "en temps réel" vers écran distant (interface homme-machine) et pupitre de commande, avec fonction "rétroviseur" (automatiquement activée en cas d'obstacle ou de mouvement à l'arrière du ROV => fonction détection de mouvement).
Mesure ultrasonique de distance, permettant de détecter des obstacles dans le noir ou en eaux troubles (où les signaux visuels et électromagnétiques seraient moins efficaces).
A envisager : Gestion de l'ombre portée (photographier dans la propre ombre portée du drone est utile en plein soleil sous une surface agitée et à faible profondeur, pour limiter les effets de moirage induit par la dispersion des rayons solaires par le clapot de surface... Remarque : un drône presque totalement transparent serait souhaitable sous un ciel blanc et lumineux ou dans une eau parfaitement calme).
Le Drone/Rov doit a minima disposer des caractéristiques suivantes :
propulsion (et ancrage) insensibles aux environnements encombrés par des plantes aquatiques, branches et algues filamenteuses, ainsi qu'au plancton et aux matières en suspension (=> technologie de morphing[1]) pour que certains drones puissent se glisser dans des espaces réduits, dans l'eau, se poser sur des balcons ou plonger entre les immeubles, etc[2]. et/ou de robotique molle envisageables) ;
résistance à l'eau salée (plus corrosive), et adaptabilité aux changements de densité de l'eau (cf exemple de passages d'eau douce à marine ou saumâtres en situation estuarienne ou d'exploration de sources d'eau douce en mer ou d'exsurgences => besoin de conserver une « flottabilité nulle ») ;
rivières tubées/souterraines ;
résistance à la pression (cf. option "-30 m") ;
capacité à évoluer dans une eau polluée (ex : Escaut, Deûle, Canaux..).
Certains organismes animaux (presque tous les vertébrés et certains invertébrés) sont très sensibles à de faible variations de pressions, de lumière, de champ électromagnétique, etc. ou à toute introduction d'un objet nouveau dans leur environnement, et le stress peut fortement modifier leur comportement, ce qui nuit à la qualité des observations. L'introduction d'un objet nouveau (et surtout immobile) peut aussi susciter de la curiosité chez certains poissons et induire une modification de leur comportement : ils ont tendance à se regrouper à quelques dizaines de centimètres autour de l'objet ou ils passent et repassent devant lui pendant de longues minutes. Certes, ce comportement de curiosité est naturel mais peu intéressant s'il se substitue totalement à d'autres comportements observables.
Moins le robot sera perceptible à leurs yeux (quand ils en ont) et à leurs autres organes des sens, plus nous atteindrons nos objectifs. Ces organismes ne perçoivent pas leur environnement comme nous le faisons. Dans certains contextes, notre robot doit donc pouvoir "changer de robe", pour se "camoufler" ou se rendre "neutre" (non menaçant) de manière adaptée aux espèces filmées. Par exemple un « déguisement » évoquant des couleurs, textures, branches et algues de l’environnement local pourrait être testé. Les matériaux du robot devrait idéalement n'avoir ni odeur, ni goût. Son champ électromagnétique ne doit pas poser de problème.
Edwardsiella andrillae ; Espèce nouvelle d'anémone de mer filmée sous la banquise (pôle nord) par le ROV d'exploration SCINI. Echelle : les 2 points laser rouge sont distants de 10 cm Question : Une image au contraste et luminosité améliorés (ici, simulation) permet-elle à l'opérateur de mieux diriger son ROV et donc in fine d'économiser les batteries[3]
photo
capteurs haute-définition et haute-sensibilité (cf. eau turbide, manque de lumière..)
éclairage embarqué, avec anneau de leds + 2 éclairages décalés (fibre optique ?) + 2 flash
option activable à la demande (=> logiciel embarqué) de traitement d'image, ou traitement à terre en quasi-temps réel dans l'interface homme-machine ;
option endoscope ? avec éclairage par fibre optique pour photographier dans les trous, failles, dont en macroscopie, etc. (Inspiration : matériel médical ; Bioinspiration : tentacule oculaire d'escargot) ;
Mise en sommeil et "réveil automatique" (programmable ou activée par approche d'un animal) = > Détecteur de présence ou de mouvement
+/- autonettoyant, désinfectable
accessoires
modulables
rétractables (pour certains) i.e. invaginable/ dévaginables)
éclairage ; et/ou option éclairages complémentaires par le kangourou, ou apportés par 2 robots annexes asservis et accrochables au robot mère ?
envisager : GPS ou équivalent, capteurs de température, profondeur, orientation, luminosité, turbidité... (Rem : d'autres ont proposé un poisson-robot capable de précisément cartographier le fond en 3D via un algorithme (Octomap) adapté et deux sonars MSSS combinés à avec unité de mesure inertielle (UMI)[4].
accessoires : hydrophone, taux O2, pH, dureté de l'eau/salinité, vitesse courant, analyseur Xray fluorescent miniaturisé (si cela est raisonnablement possible) et autres modules externes à la demande... Ex : une étude récente conclue que le nombre des lacs dans le monde a été sous-estimé, mais que leur profondeur moyenne a été très surestimée, ce qui signifie qu’ils pourraient émettre plus de méthane que prévu. Certains canaux sont aussi des sources de méthane[5]. Un module d’analyse du méthane dissous ou d’évaluation du w:Pouvoir méthanogènePouvoir méthanogène (=> bilan entre organismes méthanogènes/méthanotrophes) dans le sédiment pourrait être envisagé ? Autant que possible, chaque module est « clipsable », interopérable et conçu pour ne pas déséquilibrer l'engin. Les masses des modules devraient être (re)connues par le système de contrôle de navigation, ou une vessie natatoire artificielle doit pouvoir automatiquement redonner une flottabilité neutre et on équilibre à l'engin.
ex : désencrassement automatique de la motorisation, des optiques, tambours de filtration...
capacité de désengagement, et de remontée automatique (parachute ou ballon relié à un fil de récupération) + fonction « retour à la maison » notamment en cas de perte de contact avec l'opérateur ou si le seuil critique d'énergie est proche...
plusieurs options : rigide ou +/- souple, entièrement étanche ou semi-perméable à l'eau et alors - dans la limite du possible - n'offrant pas de prise à l'accrochage (ex en présence de branches de ronces dans l'eau)
en matériau neutre et ne polarisant pas la lumière (solaire ou lunaire car de nombreux organismes aquatiques perçoivent la polarisation de la lumière => faire tests)
acceptant des modules amovibles
devrait pouvoir idéalement être transparente par faible luminosité et opalescente en plein soleil (option ?)
matériaux : UV-résistant, insolubles, inoxydables
motif de camouflage pour ne pas être repéré par les poissons
↑Love, M. H., Zink, P. S., Stroud, R. L., Bye, D. R., Rizk, S., & White, D. (2007). Demonstration of morphing technology through ground and wind tunnel tests. In Proceedings of 48th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC structures, structural dynamics and materials conference (pp. 23-26). (résumé)
↑(en)Vasile Prisacariu, Cristea-Gabriel Rău, Introduction morphing technology in unmanned aircraft vehicles (uav), Proceedings of the Scientific Conference AFASES, mai 2011
↑Chen, L., Wang, S., Hu, H., Ryuh, Y. S., & Yang, G. H. (2016). 3D Mapping by a Robotic Fish with Two Mechanical Scanning Sonars. In Intelligent Autonomous Systems 13 (pp. 691-703). Springer International Publishing. (résumé)
↑Adrian Cho (2017), World’s lakes are much shallower than thought, mathematical analysis suggests (Les lacs du monde sont beaucoup plus superficiels qu’on ne le pensait selon une analyse mathématique); 17 mars 2017 ; DOI: 10.1126/science.aal0932 ; étude pilotée par l’océanographe B. B. Cael du MIT au Massachusetts Institute of Technology de Cambridge, d’après la présentation de l’étude au congrès The Volume of Earth's Lakes ; Chair: Mary Silber, University of Chicago ; Session F12: Natural Pattern Formation and Earth's Climate System ; APS March Meeting 2017 ; 13–17 mars 2017; New Orleans, Louisiana
