Recherche:Mise au point d'un drone subaquatique/Fiche/Etat de l'art

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Fiche mémoire sur l'état de l'art
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Mise au point d'un drone subaquatique/Fiche/Etat de l'art
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ISplash-II Robotic Fish ; poisson-robot ou drone subaquatique qui était en 2014 capable d'imiter la nage d'un poisson carangiforme, avec une vitesse moyenne maximale et une endurance "comparable" (tant que la batterie n'est pas épuisée). Il ne dispose cependant pas des capteurs nécessaire à un inventaire de la biodiversité, et sa nage et encore trop "ondulatoire" pour produire une bonne image vidéo (s'il était équipé d'une caméra).
Autre exemple de poisson biomimétique, qui contient un système de ballast et de télécommunication, mais ne dispose pas non plus de moyens de filmer son environnement comme le nécessite le présent projet (Noter aussi le risque induit qu'il soit endommagé par un requin, orque, etc.)
Aperçu de l'électronique embarquée de l'OpenRov, élément clé de l'interface homme-machine et notamment destiné au pilotage d'une mini-caméra (d'autres ROV disposent de plusieurs caméras)

Cette fiche est consacré à l’état de l'art en matière de conception/écoconception, réalisation et utilisation de petits ROV (on parle généralement de mini-Rovs et mini-drones pour les ROV et drones de moins de 5 kg).

Note aux contributeurs :

  • Chaque chapitre traité ici pourra être illustré (photos, dessin, plans, films..) et enrichi de liens hypertextes pointant vers Wikiversité, Wikipédia, Wikibook, ou des sites d'intérêt pour le projet. N'oubliez pas de respecter les règles sur l’utilisation des images ainsi que les droits d’auteurs : Ne pas reprendre du contenu d’autres sites, médias ou livres non-explicitement publiés en licence ouverte de type cc-by-sa (sauf avec autorisation écrite des auteurs). Seules les courtes citations sourcées (ou un renvoi vers un lien externe) sont autorisées.
  • Nos propres retour d'expérience feront l’objet d'une autre fiche (Fiche « Retours d'expérience » ou « REX »)
  • Si le contenu devient quantitativement trop important, il est proposé de conserver ici une synthèse de chaque thème, qui renverra le lecteur vers des fiches plus détaillée.

Introduction[modifier | modifier le wikicode]

Thématiques[modifier | modifier le wikicode]

  1. Types de ROV ou drones subaquatiques (ex traditionnels, biomimétiques...)
  2. Les principes de l'écoconception ;
  3. Types de propulsion possibles pour un petit ROV ;
  4. Les solutions de stabilisation d'un petit ROV ;
  5. les techniques d'acquisition de données externes (et d'autres données d'intérêt environnemental et scientifique) ;
  6. l'acquisition d'image et de film ;
  7. les systèmes et logiciels d'interactions homme-machine ;
  8. les protocoles d'expérimentation et d'étude de Fiche « Retours d'expérience » ou « REX » ;

(liste non limitative ; rem : si quelqu’un ajoute ici un thème, merci de l'ajouter également plus bas comme nouveau chapitre).

Contenu[modifier | modifier le wikicode]

Cette fiche est destinée à accueillir :

  • une présentation commentée des différentes solutions méthodologiques scientifiques et techniques existantes ou envisagées par d'autres (Benchmarking) ;
  • des dessins, plans, photographies et films (à condition que ces documents/médias soient disponibles sous licence ouverte CC-BY-SA ou équivalent et préalablement déposées dans Wikimedia Commons, si possible légendés au moins en français et en anglais). A ce jour, les films doivent être intégrés sous un format ouvert compatible avec Commons ou converti dans ce format (.ogg) ;
  • des études bibliographiques (état de l'art),

Remarque : Pour ne pas alourdir la page, les liens externes généraux vers des sites d'intérêt (avec un court commentaire) seront plutôt déposés dans une annexe du projet dédiée aux liens connexes, de même pour une liste générale d'ouvrages et articles.

État de l'art, par domaines[modifier | modifier le wikicode]

Généralités[modifier | modifier le wikicode]

De manière générale les Drones ou ROV sont aujourd'hui des engins dotés d'une enveloppe, d'une motorisation ou d'un système passif de déplacement (gliders), d'un système et de circuits de commande, de batteries, d'un fil et/ou d'une antenne de communication, d'une unité de mesure inertielle (trois accéléromètres et trois gyroscopes) et de capteurs permettant d'extraire (et mémoriser ou envoyer) des données (images, vidéo éventuellement) de leur environnement.

Le milieu aquatique[modifier | modifier le wikicode]

La physique optique subaquatique diffère significativement de ce qu'elle est en milieu atmosphérique, en raison des propriétés de l'eau mais aussi des substances et du plancton qu'elle contient. Un drone subaquatique doit opérer avec une faible intensité lumineuse, des longueurs d'onde variant rapidement selon la profondeur et selon la turbidité de l'eau, et avec une polarisation différente de la lumière. Idéalement nous devrions mieux intégrer le champ lumineux bleu et proche de l'ultraviolet, la lumière polarisée, et les questions de scintillement et décomposition de la lumière qui traverse les vagues et vaguelettes quand l'eau est agitée[1].

Pour filmer le monde aquatique sans le troubler, des connaissances en écologie visuelle subaquatiques sont bienvenues (biologie, biophysique, hydrobiologie, et sur les qualités perceptuelles de la vision subaquatique chez les poissons et autres organismes[1]. Les poissons disposent de cellules rétiniennes en cônes spécialisées dans la perception de l'ultraviolet et de la polarisation[2]. Ils ont une vision polarisée[2].

Les principes de l'écoconception collaborative et du codesign
(appliquée au projet)
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Le projet se fera par l'implication de nombreux chercheurs, amateurs, bénévoles avec le soucis d'agir pour la finalité définie (ici la création du drone subaquatique). La mise en place de la wikiversité est un des outils de l'aspect collaboratif de la conception : tout le monde peut suivre les avancés du projet à toutes ces échelles. Cette conception collaborative est l'assurance de bénéficier des talents de tout horizon au-delà des frontières. Chacun au final aura ainsi sa propre satisfaction qui peut être, de manière non exclusive, simplement le fait de participer, l'assurance de pouvoir utiliser le robot, bénéficier du stock d'images ainsi constitué...etc. Le principe du codesign est de faire participer à la réflexion collective les usagers du produit ou du service en cours de conception. Notre projet, par son essence même suit une conception de type codesign. Il s'agit également dans le codesign de déconstruire ce qui est créé pour reconstruire quelque chose de nouveau. Encore une fois, bien que les étapes de notre projet repose sur des éléments connus, il nécessitera également une grande part de créativité qui obligera à sortir des sentiers battus et parfois de manière un peu décalée.

Mécanique subaquatique[modifier | modifier le wikicode]

Actionneur linéaire électromécanique sous-marin (fabriqué par Ultra Motion Inc.), utilisant une vis à billes et un écrou, où la vis tourne ; l'écrou subit alors une translation linéaire pure (produit notamment utilisé sur des ROV
Servomoteur en cours de tests de programmation ; dans ce cas, on cherche à appuyer sur un bouton avec deux degrés de pression pour activer deux fonctions nécessairement successives

Elle doit être adaptée aux risques liés à l'eau, au sel, algues et bactéries, et à la pression... et éviter de polluer le milieu (cf lubrifiants, fluides hydrauliques, etc.).
Par exemple les actuateurs linéaires à vis sont souvent préférables aux systèmes de piston hydrauliques.

La robotique molle et la biomimétique pourraient dans ce domaine bouleverser plusieurs des approches classiques, grâce notamment aux évolutions de l’impression 3D (ex : co-impression par 8 têtes d’impression en 22 h de matériaux durs, élastiques et liquides en 2016 pour un petit robot hexapode[3] ; il ne manque que la batterie et le moteur)

Une pince intéressante a été dessinée pour l’OpenRov par Patrick2 (2015)

Propulsion, déplacement[modifier | modifier le wikicode]

La plupart des remotely operated vehicle (ROV), comme les sous-marins sont propulsés au moyen d'une ou plusieurs hélices (libres ou protégées).
Pour les ROV ou drones évoluant dans des environnement riches en algues, débris ou objets flottants entre deux eaux, les systèmes de propulsons doivent être protégés par des grilles et/ou déflecteurs.
Outre des solutions bioinspirées imitant la méduse, le « vol » d'une raie (ou d'un oiseau planeur), la marche du crabe, ou la natation d'un têtard, la nage du poisson [éventuellement anguilliforme...) ou des solutions de « déplacement multimodal » (ex : robot-pieuvre à la fois capable de marcher sur le fond et de se propulser dans le milieu comme un calmar[4]), d'autres procédés mécaniques mais originaux de motorisation ont été imaginés (ex : ROV Bubblot, designé par un fabricant de montres suisses (Hublot) pour aider les archéologues à explorer l'Épave d'Anticythère[5]). Le Wave Glider de Liquid Robotics (Silicon Valley) est un drone de type Planeur sous-marin utilisant la houle et le soleil qui permettent l'acquisition de données de température, salinité, courants, acoustique marine, images, etc. Il a notamment été testé en Nouvelle-Calédonie par Assystem entre Nouméa et Lifou (aller/retour). Il est trop lourd et encombrant pour explorer des environnements complexes.

Gouvernes[modifier | modifier le wikicode]

Exemple de ROV de taille moyenne (Double Eagle Mk II)

A la différence d'un navire, mais comme un avion ou un engin spatial, un ROV doit pouvoir être dirigé selon 6 axes de libertés. Parmi les solutions (éventuellement hybrides) figurent :

  • le gouvernail : un ou plusieurs gouvernails ou ailerons mobiles sont généralement utilisés. Dans ces cas, comme pour les engins volants, c’est le profil hydrodynamique de la gouverne et/ou de l'aileron mobile qui est utilisés pour dévier (ou inverser) l'écoulement d'eau le long de l'engin et modifier par réaction la direction de l'engin. La conception des planeurs sous-marins est parfois proche de celle d'un avion ; Dans tous ces cas, il existe des surfaces de contrôles qui sont externes, qui présentent des zones de vulnérabilité (accrochage, casse) ;
  • le propulseur orientable ; l’utilisation de propulseur à un ou plusieurs axes de mobilité permet d'orienter le flux généré par le propulseur (dans la direction opposée à celle qu'on veut faire prendre par le ROV) ; Le système peut être externe, ou semi-intégré dans la coque (et alors moins vulnérable à l'accrochage) ;
  • les propulseurs internes en tunnel : ils aspirent et pulsent l'eau dans une ou plusieurs gaines verticale, horizontale (selon deux axes en général ; transversal et vertical), en complément d'un propulseur principal externe (celui de la propulsion par hélice arrière en général). Si le ROV est très allongé, deux tunnels transversaux sont plus efficaces, placés à l'avant et à l'arrière ; opérant chacun à la manière des propulseurs d'étrave installés sur les navires). Sur les navires il n'est utilisé que quand le gouvernail ne suffit pas. Certains ROV l'utilisent presque en permanence. La poussée de l'éjecteur est produite par un ou plusieurs rotors généralement montés sur un arbre à l'intérieur du tunnel, mais on peut imaginer un rotor sans axe. Ces rotors tirent généralement leur puissance d'un moteur hydraulique placé à l'extérieur du tunnel (le couple étant transmis au rotor par des engrenages coniques aboutissant au caisson supportant l'arbre de rotor). Le moteur hydraulique peut aussi être placé dans le tunnel sur l'axe-même du rotor.
    Avantages/inconvénients : Le propulseur est apparemment mieux protégé (le stator est intégré au robot lui-même), mais il est plus difficile à nettoyer, réparer ou à changer en cas de panne ou de débris ou fil/corde/câble/algues introduits dans la gaine, et les grilles de protection freinent l'eau et peuvent se colmater ;
  • des solutions bioinspirées, qui vont de la nage anguilliforme à l'imitation des nageoires de divers poissons ou d'une ondulation du "« corps »" du robot en passant par la méduse, le calmar, le crabe, etc. (elle ne doit cependant pas dans notre cas gêner la fonction photo/caméra);
  • le ballast : il permet un mouvement vertical et de déplacer le centre de gravité (ballast d'eau ou déplacement d'une partie interne lourde), ce qui modifie l'inclinaison de l'engin en lui permettant éventuellement (chez les gliders par ex.) de remonter ou plonger, virer et/ou « gîter ».

Design & prospective[modifier | modifier le wikicode]

En, contexte subaquatique, vaut il mieux conserver une solution mécanique simple (ex photo) ou développer des solutions plus biomimétiques ?.. ou combiner les deux approches ?

Depuis quelques années, certains designers de robots (en robotique molle notamment) cherchent à se passer d'engrenages, de roulements à billes et de certains servomoteurs. Deux grands types de solutions sont testés : solutions "hydrauliques", avec par exemple la série des robots bioinspirés fonctionnant dans l'air ou dans l'eau, construits par le groupe allemand Festo, spécialisé dans l'automatisation des mouvements utilisant l'énergie pneumatique (air comprimé) ou électrique, ou la version récente d'une minuscule raie bioinsipirée[6]. L'autre solution est le développement d'alliages à mémoire de forme et de matériaux se déformant sous l'effet de l'électricité ; Ces deux approches pouvant être combinées. Les prototypes peuvent être d'abord modélisé en s'appuyant sur la Méthode des éléments finis et mécaniquement caractérisé et la mécanique des milieux continus (sans Wikiversité).

Parmi les solutions supposées futuristes, éventuellement bioinspirées, envisagées par le « design prospectif », figurent

  • la solution d'un robot mou doté d'une enveloppe capable de « morphing », c’est à dire à géométrie variable (pour tout ou partie), sensibles à divers stimuli, voire capable de s'autoréparer. Remarque : la solution morphing n'exclue pas les systèmes de gouverne ou de motorisation évoqués ci-dessus (une nageoire artificielle ou une gouverne plus classique pourrait d'ailleurs elle-même comporter des éléments mous et durs (jouant par ex le même rôle que les arêtes de poissons) ; La robotique molle est encore freinée par le manque d'actionneurs souples, solides et performants et par le manque de maturité des circuits électroniques souples et élastiques ;
  • l'ionisation de l'eau pour produire un flux qu'on peut ensuite diriger ;
  • mieux exploiter l’effet Coanda ;
  • utiliser de nouveaux type de pseudo-muscles artificiels[7], d'actionneurs et « micro-actionneurs » par exemple à base de polymère électroactif[8],[9],[10]) notamment adaptés aux matériaux souples. Il pourrait être bientôt possible d'utiliser des cordons de matériaux polymère électroactif dans les imprimantes 3D[11].


Hormis quelques robots imitant les poissons aux formes fuselées et dont seule l'enveloppe était molle, les premières tentatives ont souvent abouti à des robots plutôt lents et malhabiles dans l'eau. Récemment Tiefeng Li et ses collègues (Université du Zhejiang à Hangzhou, en Chine) ont produit un prototype simple de robot en partie mou (ailes en élastomère diélectrique et hydrogel ioniquement conducteur, formant un muscle synthétique qui permet un mouvement évoquant celui des ailerons d'une raie manta et ainsi de "nager" à une vitesse de 6,4 cm/seconde (doublant le record antérieur de vitesse en robotique molle, avec une capacité de nage de trois heures sur une même charge de batterie). Il utilise l'eau de mer comme "prise de terre"[12]..

Matériaux nouveaux souples et étirables[modifier | modifier le wikicode]

L'impression 3D de polymères texturés permet de produire des formes souples et pseudo-étirables (principe de l'accordéon)

L'un des défis (y compris pour la réparation des robots souples) était de pouvoir disposer de colle souple et élastique et étanche. Ceci semble sur le point de se réaliser : mi-2017, des universitaires physiciens ont réussi à produire en laboratoire une colle à cyanoacrylate fortement élastique et pouvant coller des substances dures et/ou molles (dont composants électroniques) à des hydrogels (matériaux de type « gels » utilisés dans certains dispositifs médicaux et robots souples)[13]. Ceci ouvre la voie à la création des batteries et circuits électriques véritablement élastique et étirables[13]. Le cyanoacrylate est associé à un composant organique (qui, sans être un solvant, diffuse rapidement dans les parties en fusion de manière à empêcher qu’elles ne deviennent cassantes). Au moment du pressage la prise de la colle se fait en quelques secondes[13]. L’élasticité peut atteindre 2000 %[13]. La mise sur le marché est attendue entre 2018 et 2020.

Batteries, gestion de l'énergie[modifier | modifier le wikicode]

Voir ci-dessus pour ce qui concerne les batteries étirables

Éclairage[modifier | modifier le wikicode]

Le cahier des charges concernera les besoins de vision du robot (de sa station-mère et de son opérateur), et ceux - plus ponctuels dans le temps - de la photo (flash) et de la vidéo (torche), avec des problèmes de flux de lumière, de colorimétrie, de réflexion/diffraction et de géométrie et positionnement des faisceaux lumineux par rapport à l’objet ou organisme à photographier ou filmer. Pour des raisons pratiques (encombrement, consommation d'énergie), la solution LEDs semble la plus intéressante (sauf arguments contraires à développer ici), éventuellement associé à la fibre optique.
Le longueurs d'ondes et la position des sources devraient pouvoir être contrôlées. Un éclairage multiplexe permettrait dans certains cas de pouvoir visualiser les images en gérant la réflectance pour l'améliorer. Un prétraitement de l'image est souhaitable[14].

Stabilisation d'un ROV[modifier | modifier le wikicode]

Une bonne capacité d'autostabilisation est l'une conditions nécessaire (mais non suffisante) à une capacité de prise de vue de haute précision (voire en quasi-microscopie) et à la réussite de certains protocoles d'échantillonnages. Elle est à relier aux systèmes d'asservissement de position (dont l'ancrage ou l'accrochage font partie).

Une centrale inertielle performante pourrait aussi être utile sur une plate-forme flottante qui pourrait être liée au drone (pour sa récupération, recharge, récupération de données, etc).

Plusieurs techniques existent, éventuellement complémentaire et des solutions biomimétiques sont sans doute également possible. Les plus performantes semblent les plus consommatrices en énergie, elles pourraient n'être activées qu'au moment des prises de vues, d'échantillonnage ou en situation délicate.

Pour en savoir plus, voir (et/ou complétez) :

Mise à l'eau et récupération[modifier | modifier le wikicode]

Elle est surtout complexe pour les drones de grande taille, mais peut dans tous les cas être compliquée par le mauvais temps en pleine mer.

Capteurs, acquisition de données externes
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Exemple de capteur CTD (Conductivity Temperature Depth) démonté avec ; son électronique embarquée, ses capteurs de conductivité, température et pression, sa cage de protection des capteurs, ses connecteurs étanches et son boîtier de protection contre les hautes pressions.. à miniaturiser
DEPTHX (NASA) a de 54 sonars lui permettant la cartographier 3D et aussi de mieux se repérer dans l'espace subaquatique (ici : version 2007 testé à La Pilita (Mexique) dans plusieurs cénotes dont le plus profond au monde ; Zacatón)

Divers capteurs électroniques déjà disponibles sur le marché sont nécessaires au pilotage de l'engin et à l'acquisition de données (d'intérêt environnemental et scientifique)

  • Caméra (= les yeux du robot), devant permettre (au mieux) des images avec 5 critères de qualité que sont :
    • la netteté (à un point de l'objet correspond un point de l'image)
    • la résolution qui est la plus petite distance séparant deux points objets capables de donner deux points images distincts.
    • le contraste, reproduction de la différence d'éclairement des surfaces distinctes et éventuellement de leurs couleurs.
    • aussi peu de flou que possible sur les mouvements.
  • Des métadonnées pertinentes.
  • Capteurs acoustiques ; hydrophone (= les oreilles du robot) pouvant aussi aider à déterminer la position de l'origine d'un son (source) grâce à des amplificateurs, des filtres, un ADC et un contrôleur embarqués. Un filtre passe-bande numérique (implémenté via un FPGA) peut fortement réduire l'aliasing (parasitage par le bruit du ROV lui-même). En surface un algorithme de formation de faisceau (beamforming algorithm) génère du son directionnel via des haut-parleurs stéréophoniques (ou un casque « audio/virtuel »). L'algorithme pourra être amélioré pour affiner la précision de la directionnalité donnée[15].
  • GPS (uniquement disponible en surface ?)
  • capteurs de vitesse relative, vitesse du courant (ex : loch doppler)
  • capteurs embarqués tels que CTP (conductivité-température-profondeur), aussi dits CTD (pour conductivity–temperature–depth)
  • fluoromètres de chlorophylle
  • capteur optique mesurant la turbidité, la couleur de l'eau, la luminosité
  • capteurs mesurant la dureté/acidité de l'eau, taux d'O2/CO2/NO3...

Ces capteurs peuvent rendre le drone plus autonome. Ils limitent aussi le besoin d'échantillonner l'eau pour l'analyser. Certains donnent des ordres de grandeur de propriétés du milieu (avec une meilleure résolution spatiale et temporelle) là où autrefois il fallait des prélèvement par bouteilles ou filets.

Communication avec l'opérateur ou avec robot associé (en systèmes distribués « multi-agents »)[modifier | modifier le wikicode]

  • Communication sans fil est un défi à relever : Les ondes hertziennes offrent du débit d'information dans l'air. Un système wifi peut permettre une communication émergée et de proximité (ex : avec une plate-forme en surface). => protocole de communication (Bus CAN...), antennes etc. Elle peut être hybride (ex hybrid optical-acoustic system)
  • Ondes acoustiques : le son se propage 4 fois plus vite dans l'eau que dans l'air, et une onde porteuse de fréquence 50 à 100 kHz porterait à environ 1 000 mètres avec un débit de 20 Kbauds environ. Les basses-fréquence portent éventuellement très loin mais avec une faible bande passante. Ces résultats médiocres (dizaines de Kbits/seconde) permettent de transférer des informations basiques (ex : position, l'état de charge de la batterie, avaries) ou pourraient servir à reconfigurer un robot encore sous l'eau, mais ne permet pas de transmettre une image vidéo ni des données sonar de qualité.
  • Lumière[16] (éventuellement via le laser[17]) permet le transfert d'information dans l'eau, mais sur une courte distance et avec un résultat médiocre dans les eaux turbides, avec nécessité de gérer les interruptions de faisceaux liées aux débris flottant entre deux eau. Des leds bleues ont déjà été testées[18]). Elles pourraient être utilisées de robot à robot[18] ou avec un module flottant ou immergé proche.
    Le [[[w:Lidar|lidar]] évolue (Le Photonic Microsystems Group du Laboratoire de Recherche Electronique du MIT) a miniaturisé en 2016 un capteur lidar (d'un facteur 100 : 0.5 mm x 6 mm) ; il est plus solide et 1000 fois plus rapide grâce à une orientation non mécanique de son faisceau laser et pas plus cher - 1000 à 70.000 dollars selon le type de lidar - mais n'a qu'un champ de vision de 51° et ne détecte des objets que jusqu'à 2 mètres, dans l'air)[19].
    La lumière peut modifier le comportement de certaines espèces ou les stresser.
  • Robotique en essaim (swarm robotics) avec ses variantes en ou en nuées ainsi que des systèmes de « meutes » (i.e. un essaim coordonné par un « chef ») plus ou moins autonomes, automatisés, stygmergiques ou capables d'auto-organisation et de collaboration font l'objet de nombreuses recherches. Des balises puis des mini-robots indépendants ou collaborant entre eux sont beaucoup développés, au moins en laboratoire de recherche, et parfois pour le milieu subaquatique[20],[21],[22]. l'Intelligence en essaim concerne aujourd'hui la réalisation par un groupe d’agents asynchrones et semi-indépendants d'un objectif collectif fixé à l’avance, mais on peu imaginer des essaims plus créatifs cherchant au hasard et découvrant par exemple de nouvelles espèces, habitats ou comportements subaquatiques.
  • Autres approches : le robot dont les principaux constituants peuvent se séparer et communiquer entre eux ou être remplacés de manière standards.

Acquisition, prétraitement & stockage d'image / vidéo[modifier | modifier le wikicode]

Une tendance (permise par la miniaturisation de nombreux composants) est de prétraiter la donnée à l'intérieur de la caméra pour réduire la bande passante, et offrir une image de qualité à l’opérateur du ROV/Drone. L'inconvénient est un risque de trop allonger le délai de latence entre le réel et ce que voit l'opérateur. Un modèle de caméra (non subaquatique) de surveillance (MOBOTIX) corrige ainsi une acquisition hémisphérique d'image à 360° ou panoramique 180° pour donner une image moins déformée de la scène. Divers logiciels permettent cela.

Post-traitement de l'image[modifier | modifier le wikicode]

Le traitement le plus classique est l'amélioration des contrastes et des couleurs, plus ou moins automatisable.

Des robots subaquatiques munis de caméras spéciales dressent maintenant en quelques heures une cartographie 3D d’épave d’un fond qui aurait demandé des jours ou semaines de travail et beaucoup d’argent aux archéologues sous-marins. Les images sont rassemblées ([w:en:Image stitching|stitching) par un logiciel informatique qui calcule finement la topographie du fond et des objets qui y reposent. Le logiciel ne peut toutefois pas « deviner » ce qui est enfoui dans le sédiment. Au large de la Sicile, trois épaves antiques ont ainsi été récemment explorées. L’une, datée du IIIème siècle transportait des blocs et colonnes de marbre éparpillés autour de l’épave. Elle mesurait probablement 32 à 40 mètres de long (un véritable cargo pour l’époque) [23].

Interactions homme-machine[modifier | modifier le wikicode]

Une piste émergente est la vision 3D associée à la téléxistence : elle demande deux caméras et plus de puissance de calcul et plus de capacité de transmission de flux (pour traiter l'image stéréo en temps réel), mais elle semble utile pour

  • des déplacements plus précis ;
  • une éventuelle capacité de détection et évitement automatique d'obstacles dont la distance, taille, forme, profondeur sont mieux appréciées[24] ;
  • une meilleure appréhension du milieu par l'opérateur (via casque de vision 3D ou écran autostéréoscopiques (AS) à vues multiples qui permettent à plusieurs téléspectateurs de voir des images 3D stéréo, sans lunettes ni casque), avec éventuelle possibilité d'interagir avec des objets 3D réels ou virtuels visibles sur l'écran (au moyen d'un curseur manuel ou bientôt par des gestes de la main)[25] ;
  • évoluer dans le noir (via sonar et logiciel de reconstitution de l'environnement physique du ROV)[26]. L'impression de 3D ou de panorama peut aussi être reconstituée (Image-based modeling and rendering[27])

Protocoles de test et d'étude de retour d'expérience[modifier | modifier le wikicode]

Voir aussi la fiche 4 « Retours d'expérience»

Exemples d’utilisation des ROV et des mini-ROV[modifier | modifier le wikicode]

ROV de grande taille (et lourds)

  • océanographie, cartographie et exploration d’environnements subaquatiques
  • inspection (de citernes, coques, barrages, conduites ou câblés immergés, intérieur de conduites en eau, installations portuaires ou offshore industrielles ou aquacoles, recherche de boites noires, munitions immergées, etc.).
  • usages militaires (dont déminage)

Mini-ROvs

Remarque : Aucun ROV ne semble avoir été à ce jour doté de capacité de microphotographie ou de microscopie.

Amphibots anguilliformes (l’exemple d'Envirobot)[modifier | modifier le wikicode]

Des chercheurs de l’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) ont codéveloppé un robot-anguille nageur (de surface) destiné à détecter des sources de pollution dans l’eau, baptisé Envirobot (dans le cadre du programme Nano-Tera : Engineering complex systems for health, security, energy and the environment)[31]

Cette plateforme robotique de démonstration (Envirobot) pourra échantillonner et mesurer automatiquement divers paramètres de qualité de l'eau grâce à des capteurs optiques, physiques, chimiques et biologiques. Les chercheurs utilisent des Amphibots (robots anguilliformes segmentés) qui seront améliorés en termes d'efficacité énergétique, de programmation de décision sensorielle et de possibilités communiquantes et de miniaturisation. Des moyens d’arpentage en autonavigations permettent de programmer des missions, par exemple de mesure de gradients de pollution chimique ou biologique d’un plans d'eau (en surface pour le moment)[31].

Le robot comprend des chambres microfluidiques faciles à interchanger. Divers capteurs (physiques, optiques, chimiques et biocapteursà d’informations d’intérêt bioécotoxicologiques sont testés (pour deux modes de fonctionnement). Puis dans la mesure du possible ils seront miniaturisés. Le projet cherche à produire des biocapteurs à temps de réponse rapide (ms min), qui pourraient en temps réel guider le robot vers une source de pollution (par exemple en exploitant la chimiotaxie bactérienne, des réactions de bioluminescence, des chimiorécepteurs d'insectes, l’observation en temps réel des réactions cardiaques et musculaires de Daphnia magna)... [31]

Bioinspiration & biomimétique[modifier | modifier le wikicode]

Parmi les solutions robotiques les plus élégantes et esthétique figurent les réalisations de l'entreprise Festo (https://www.youtube.com/watch?v=SKJybDb1dz0).

  • Poissons : osseux ou cartilagineux et de formes variées, ils sont une source d'inspiration ancienne et fréquente en raison de leurs exceptionnelles capacités de stabilisation (flottabilité neutre), d’accélération (jusqu’à 20 fois la gravité) et de vitesse (plus de 70 km/h), de manœuvrabilité (« virage à 180° sans ralentir et sur des rayons de courbure de l’ordre du dixième de leur longueur, tandis que les véhicules actuels doivent ralentir de moitié et prendre des rayons de courbures de l’ordre de 10 fois leur longueur », d'efficience énergétique (rendement environ 10 fois meilleur que ceux des meilleurs sous-marins), etc. L'anguille est l'un des modèles très utilisé[32], mais la raie ou des poissons caranguiformes ou le poisson coffre ont aussi été source de bioinspiration. Dans le domaine de la microrobotique, le poisson coffre parce qu'adapté aux eaux turbulentes a inspiré des micro-véhicules sous-marins (MUV) ; dispositif électromécanique inséré dans un corps rigide propulsé par une queue oscillante, dirigé par une paire de nageoires latérales indépendantes. L'objectif était la détection et l'étude de micro-organismes marins, l'exploration d'épaves, l'inspections de conduites ou la contribution à des réseaux de capteurs subaquatiques[33],[34],[35],[36].
  • Mammifères aquatiques ou subaquatiques (cétacés, phoques, otarie...)
  • oiseaux marins nageurs/plongeurs (manchot, pingouin, cormoran...),
  • Crustacés : dotés d'une carapace et de capacités de préhension (pinces) et parfois de marche (crabes, araignées, langoustes...)
  • Poulpes : souples et dotés de tentacules préhensiles et d'une excellente vision
  • Mollusques : avec ou sans coquilles
  • méduses : simplicité, mais mouvements non régulier et manoeuvrabilité médiocre
  • algues : souples et solides pour certaines (laminaires), flotteurs intégrés chez les fucacées, pseudomucus diminuant la résistance au frottement
  • plancton : infinité de structures et solutions inspirantes pour la microrobotique et la nanorobotique

Maniabilité[modifier | modifier le wikicode]

Parmi les petits robots disponibles au début des années 2010 et correspondant à nos besoins (3 à 50 kg) ceux qui associent une bonne maniabilité et mobilité (les axe ou de mobilité pilotée vont de 2 à 6 dimensions) mais ce sont les plus lourds et gros et souvent très coûteux[37]. De 2010 à 2017 de grands progrès ont été faits en vitesse et maniabilité (avec par ex l'open rov et le scubo de l'ETH de Zurich[38], mais ils restent bruyants et vulnérables aux algues filamenteuses et fils. Le Scubo est encore trop gros pour explorer les anfractuosités, etc.

Certains ROV peuvent

  • s’immobiliser ("freeze" option) à une profondeur définie (« auto-depth option » ou à une altitude définie par rapport au fond (« auto-altitude option » ) ;
  • utiliser une ou deux pinces pour se stabiliser s’il existe devant eux un objet leur permettant de s'y accrocher (en économisant alors l'énergie de la batterie).

Autres sujets[modifier | modifier le wikicode]

  • Approches collaboratives : Il y a tant à faire dans ce domaine, qu'elle parait incontournable.
    De nombreux projets de ce type se sont appuyés sur une collaboration entre une équipe et des universités, écoles d'ingénieurs, IUT, BTS, entreprises; sciences participatives et citoyennes, etc. Certains participent à des concours dotés de prix qui peuvent susciter une émulation, présentent une date butoir et représentent parfois un retour d'images et de fonds.
    Nous pouvons/devons veiller à être interopérable avec les projets proches, dont par exemple avec OpenSeaMap. Nos données pourraient présentent aussi un intérêt en termes de prospective écosystémique et pour d'autres projets comme l’évaluation et la modélisation ou l'étude des impacts ou de grands accidents marins (marées noires...), tsunamis (ex), réchauffement, acidification...

à compléter tant que de besoin...


  1. 1,0 et 1,1 Loew, E. R., & McFarland, W. N. (1990). The underwater visual environment. In The visual system of fish (pp. 1-43). Springer Netherlands. (résumé)
  2. 2,0 et 2,1 Hawryshyn C.W (1992) Polarization vision in fish. American Scientist, 164-175.
  3. Humanoides.fr (2016) Les ingénieurs du MIT ont imprimé un robot en 3D avec des composants liquides et solides ; 08.04.16 par Newsroom
  4. Giorgio-Serchi, F., Arienti, A., Corucci, F., Giorelli, M., & Laschi, C. (2017). Hybrid parameter identification of a multi-modal underwater soft robot. Bioinspiration & Biomimetics, 12(2), 025007.
  5. Voir : présentation (article du 2 oct 2015), et [https://www.youtube.com/watch?v=ir8pUAp4fGs Bubblot courte vidéo
  6. Vidéo mini-raie (2016) et voir article de la revue Science Robotic ray is part animal, part machine (7 juillet 2016)
  7. Moghadam, A. A. A., Kouzani, A., Torabi, K., Kaynak, A., & Shahinpoor, M. (2015). Development of a novel soft parallel robot equipped with polymeric artificial muscles. Smart Materials and Structures, 24(3), 035017.
  8. Gunn-Sechehaye, M. (2015). Conception d" un actionneur à base de polymère électroactif (EAP) (No. EPFL-STUDENT-210281).
  9. Riedi, L. (2015). Conception de l’électronique de commande d’un actionneur en polymère électro-actif (EAP) (No. EPFL-STUDENT-210279) (résumé).
  10. Yang, T., & Chen, Z. (2015, December). Development of 2D maneuverable robotic fish propelled by multiple ionic polymer-metal composite artificial fins. In 2015 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO) (pp. 255-260). IEEE (résumé)
  11. Carrico, J. D., Traeden, N. W., Aureli, M., & Leang, K. K. (2015). Fused filament 3D printing of ionic polymer-metal composites (IPMCs). Smart Materials and Structures, 24(12), 125021
  12. résumé Fish-inspired robot leaves rivals in its wake ; A manta-ray-like device moves twice as fast as other soft machines Nature News, d'après Tiefeng Li & al. (2017) résumé ; Science Advances 05 Apr 2017:Vol. 3, no. 4, e1602045 ; DOI: 10.1126/sciadv.1602045]résumé, Science Mag (2017)
  13. 13,0 13,1 13,2 et 13,3 [1] ; ChemistryTechnology ; DOI: 10.1126/science.aan7008Par Zahra Ahmad, 23 juin 2017
  14. Bazeille, S., Quidu, I., Jaulin, L., & Malkasse, J. P. (2006, October). Automatic underwater image pre-processing. In CMM'06 (p. xx).
  15. Kim S.M, Byun S.H, Kim K, Choi H.T & Lee C.M (2017) Development and performance test of an underwater sound transmission system for an ROV. In Underwater Technology (UT), 2017 IEEE (pp. 1-4). IEEE (résumé).
  16. Kaushal H & Kaddoum G (2016) Underwater optical wireless communication. IEEE Access, 4, 1518-1547, PDF, 30 p.
  17. Cox Jr, W.C (2008) A 1 Mbps Underwater Communication System Using a 405 nm Laser Diode and Photomultiplier Tube. Thèse de doctorat (voir p 23)
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  24. . Lagisetty; N. K. Philip; R. Padhi; M. S. Bhat (28-30 Aug. 2013) Object detection and obstacle avoidance for mobile robot using stereo camera  ; Control Applications (CCA), 2013 IEEE International Conference on ; DOI: 10.1109/CCA.2013.6662816 ; (résumé)
  25. Z.Y. Alpaslan & A.A. Sawchuk (2004) Multiple camera image acquisition models for multi-view 3D display interaction (2004 ) Multimedia Signal Processing, 2004 IEEE 6th Workshop on ; conférence du 29 Sept.-1 Oct. 2004 ; DOI: 10.1109/MMSP.2004.1436542
  26. Scaradozzi, D., Sorbi, L., & Zoppini, F. (2014, September). 3D video streaming from a Remotely Operated Vehicle. In Education and Research Conference (EDERC), 2014 6th European Embedded Design in (pp. 50-54). IEEE (résumé)
  27. Sebastian Knorr; Thomas Sikora (2007) An Image-Based Rendering (IBR) Approach for Realistic Stereo View Synthesis of TV Broadcast Based on Structure from Motion (conférence faite le 16 Sept.-19 Oct. 2007), Image Processing, 2007. ICIP 2007. IEEE International Conference on DOI: 10.1109/ICIP.2007.4379649 (résumé)
  28. Sciences et Avenir & AFP (2018) article Un drone océanique pour sauver la Grande barrière de corail| 31.08.2018 | RangerBot: The Robo Reef Protector (vidéo/You Tube, mise en ligne le 30 août 2018)
  29. Dr Matt Dunbabin (2018) Robo reef protector to save the ReefRangerBot ; www.barrierreef.org
  30. Robo reef protector to save the Reef from the Crown-of-Thorns Starfish ; Biopixel.tv
  31. 31,0 31,1 et 31,2 Des chercheurs de l’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) ont codéveloppé un robot-anguille nageur capable de détecter les sources de pollution dans l’eau, baptisé Envirobot dans le cadre du programme Nano-Tera (engineering complex systems for health, security, energy and the environment)
  32. Frédéric Boyer, Mazen Alamir, Damien Chablat, Wisama Khalil, Alban Leroyer, et al. (2006), Robot anguille sous-marin en 3D. Techniques de l’Ingénieur, Édition Techniques de l’Ingénieur, pp.S 7 856:1-16
  33. Deng, X., & Avadhanula, S. (2005, avril). Biomimetic micro underwater vehicle with oscillating fin propulsion: System design and force measurement. In Robotics and Automation, 2005. ICRA 2005. Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on (pp. 3312-3317). IEEE. (résumé)
  34. Parasar Kodati; Xinyan Deng (2006) Experimental Studies on the Hydrodynamics of a Robotic Ostraciiform Tail Fin IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems Year: 2006 Pages: 5418 - 5423, DOI: 10.1109/IROS.2006.282109 Cited by: Papers (7) IEEE Conference Publications
  35. Parasar Kodati & Xinyan Deng (2006), Towards the Body Shape Design of a Hydrodynamically Stable Robotic Boxfish IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems Year: 2006 Pages: 5412 - 5417, DOI: 10.1109/IROS.2006.282108 Cited by: Papers (6) IEEE Conference Publications
  36. Vidéos : Biomimetic Robotic Boxfish- First Swim Demo Video par Zijian Wang & Zerui Wang (Université de Pékin)- First Swim Demo, 4 janvier 2013
  37. Maalouf, p 18/189
  38. https://www.youtube.com/watch?v=8CN4L_s7o-M ; https://www.youtube.com/watch?v=-g2O8e1j3fw https://www.youtube.com/watch?v=JV9asieqQjM