Recherche:Mise au point d'un drone subaquatique/Cahier des charges (ce qu'on demande au robot)

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Cahier des charges (ce qu'on demande au robot)
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Chapitre no 3
Recherche : Mise au point d'un drone subaquatique
Chap. préc. : objectifs et sous-objectifs détaillés
Chap. suiv. : Organisation (qui fait quoi), Tâches proposées, en cours, terminées
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Cahier des charges de l'OpenPlouf

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)

Mise à l'eau, recharge des batteries et récupération du Plouf[modifier | modifier le wikicode]

Ces opérations doivent être faciles. Elles doivent idéalement par exemple pouvoir se faire depuis :

- berge, plage, quai, pont...
- embarcation,
- station d'accueil-relai (avec rechargement solaire-éolien ? + recharge par induction ou autre système compatible avec la présence d'humidité et éventuellement d'eau salée)
- ou le cas échéant à partir d'un petit bateau télécommandé voire d'un drone aérien porteur.

Déplacements[modifier | modifier le wikicode]

Déplacement horizontaux et angulaires[modifier | modifier le wikicode]

  • 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.

Déplacement verticaux[modifier | modifier le wikicode]

  • en eau douce, 10-15 m suffisent largement pour les canaux et carrières ;
  • pour la Manche/mer du nord 30-35 mètres sont souhaitables (en option ?)

Quelle motorisation ?[modifier | modifier le wikicode]

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 : quelque 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 vers le fond ou vers le décor (photographié ou filmé) du flux d'eau, car il remet en suspension le sédiment fin, formant un nuage troublant l'eau et ne se redéposant que très lentement, qui nuit à l'image. Ceci implique une solution de type gaz (ou vessie natatoire (gaz comprimé et détendu, ou généré par électrolyse pur plus de précision, avec éventuellement une dimension thermique (chaud/froid) dans le cas d'une solution plus ou moins biomimétique).

Énergie(s)[modifier | modifier le wikicode]

  • électrique avec batterie classique
  • 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

Guidage (intelligent ?)[modifier | modifier le wikicode]

  • 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...

Voir aussi aspects interface homme-machine (commande vocale).

Navigation[modifier | modifier le wikicode]

  • équilibrage dynamique
  • 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)...

Contrôle[modifier | modifier le wikicode]

  • 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 ")
  • 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)

« Vision »[modifier | modifier le wikicode]

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)

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 largueur 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).
  • 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... et inversement la transparence du drone serait souhaitable sous un ciel blanc et lumineux ou une eau non agitée).

Adaptation aux conditions environnementales[modifier | modifier le wikicode]

Le Drone/Rov doit a minima disposer des caractéristiques suivantes :

  • propulsion (et ancrage) insensibles aux plantes aquatiques, algues filamenteuses (et au plancton et matières en suspension) ;
  • résistance à l'eau salée 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..).

Insertion dans l'environnement[modifier | modifier le wikicode]

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.

Fonctionnalités & modules annexes[modifier | modifier le wikicode]

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[1]
  • 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 ?
      • photo vidéo super-macro (avec commande vidéo)
      • moyens d'ancrage provisoire (sur substrats durs, branches ou vase) griffes, crochets... <=> économie batteries
      • Outils de type sécateur
    • Capteurs-analyseurs-enregistreurs (modulaires/optionnels) :
      • 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)[2].
      • 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[3]. 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.

« Cerveau » : Open source compatible[modifier | modifier le wikicode]

Transport[modifier | modifier le wikicode]

L'openPlouf doit pouvoir être facilement transporté à vélo ou à pied

  • valise de transport solide, légère nettoyage et désinfection facile antivol
  • valise à roulette ou en sac à dos avec panneau photovoltaïque ?
  • aération contrôlée pour le séchage, mais sans surchauffe

Système résilient[modifier | modifier le wikicode]

  • ex : désencrassement automatique de la motorisation et des surfaces ou tambours de filtration,
  • capacité de désengagement, et de remontée automatique (parachute ou ballon relié à un fil de récupération)
    + fonction « retour à la maison »...

Coque[modifier | modifier le wikicode]

  • 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

Interface homme-machine[modifier | modifier le wikicode]

  • casque 3D, commande vocale
  • options de prétraitement de l'image
  • export des données (et métadonnées) en partie automatisé vers Wikimedia Commons, Wikiversité ?

Notes et références[modifier | modifier le wikicode]

  1. d'après Photographie prise par le ROV SCINI en 2013 (déposée sur W. Commons par source :Marymegan Daly, Frank Rack, Robert Zook)  ; http://www.plosone.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pone.0083476.
  2. 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)
  3. 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