Mon stage de fin d'études

Le châssis de IARES

Le châssis du véhicule, conçu par les Russes (VNII Transmach), a été optimisé pour la navigation sur terrains accidentés. Ses dimensions sont de 1235x1200x730 mm pour une masse de 80 kg. Il peut supporter une charge utile de 70 kg.

Le châssis de IARES (Illustrateur Autonome de Robotique mobile pour l'Exploration Spatiale) est une plate-forme comportant 6 roues motrices et directrices, divisée en 3 essieux reliés deux à deux par une barre sur laquelle sont montés différents mécanismes. Il possède 19 ddl (degrés de liberté) dont 17 actifs et 2 passifs :

Ses 6 roues sont totalement indépendantes et leur angle limite de braquage est de +/-40°, les 3 essieux ayant de plus pour angles limites +/-25°. Il peut ainsi réaliser une rotation sur place par une simple orientation de ses roues.

Il peut, en marche normale, passer des obstacles de 50 cm de hauteur. Il possède par ailleurs une boîte de vitesses dont les deux vitesses maximales atteignables sont 0,10 m/s et 0,35 m/s.

La marche de IARES
IARES peut "marcher" grâce à l'articulation de son châssis

L'articulation du châssis permet une adaptation passive aux obstacles rencontrés sur le chemin suivant les axes transversaux. Une déformation longitudinale (allongement ou rétrécissement) à la fois passive et active permet d'aborder des pentes jusqu'à 40° sur sols cohésifs et fermes, et jusqu'à 30° sur sols non cohésifs. De plus, cette articulation ajoute un mode de marche supplémentaire : en faisant varier la distance entre les axes des roues, le véhicule peut "marcher" sur ses roues, et enjamber certains obstacles en levant les essieux.

IARES en août 1998
IARES tel qu'il était équipé en août 1998 (montage)

Cette capacité d'articulation du châssis IARES est la principale innovation par rapport au châssis précédent, nommé EVE (Experimental Vehicle for Exploration). Le principe des roues coniques a aussi été abandonné au bénéfice d’un système roue + rouleau permettant l’orientation des roues. Le véhicule peut ainsi tourner non plus uniquement par différence de vitesse, mais également par orientation des roues. Cela élimine de nombreux problèmes de dérapage, d’odométrie et de localisation. Les rouleaux sont montés sur les barres reliant les roues au châssis et sont associés à un réducteur qui assure une vitesse linéaire identique à celle des roues à tout instant, même lorsque la roue ne touche plus le sol (les rouleaux n’ayant pas le même diamètre que les roues, ils ne doivent pas tourner à la même vitesse angulaire pour transmettre une vitesse linéaire égale).

Deux autres modifications ont été apportées par rapport à EVE. L’arête du robot peut s’orienter, ce qui permet de "prendre des carres" par l’intermédiaire d’un mécanisme de trapèze qui oriente les roues parallèlement à l’arête. Cela permet également de conserver le banc stéréoscopique le plus horizontal possible pour faciliter les opérations de reconstruction de MNT et de ramener le centre de gravité dans une position satisfaisante pour l’équilibre du véhicule. Enfin, des moteurs permettant de lever les essieux ont été ajoutés dans le corps central. Ce sont ces moteurs qui permettent au robot de "marcher" sur ses roues.

La charge utile

Outre les unités de traitement, la charge utile du robot est constituée de l'alimentation électrique, du système de localisation, du système de perception et d'un bras manipulateur.

Unités de traitement

Le traitement d'images, la génération de trajectoire, le contrôle de la distribution de l'énergie et la supervision sont réalisés par une carte Power PC 604 fonctionnant sous un environnement Lynx-OS. Les asservissements sont réalisés par un transputer T805. Les entrées-sorties sont de type analogique et numérique. Des liaisons série RS 232 et Ethernet sont utilisées, ainsi que des liaisons par transputer pour la locomotion et la manipulation. La liaison Ethernet hertzienne permet au robot de communiquer avec l'opérateur terrestre.

L'alimentation

L'alimentation électrique est assurée par deux batteries Ni-Zn. La puissance fournie est de 700 W/h pour une tension de 28 V et une masse totale de 13 kg. Cette alimentation devrait être suffisante pour une autonomie de 1 h 30 mn. Par ailleurs l'utilisation d'une source d'énergie externe est aussi prévue, permettant de réaliser des tests sur une plus longue durée.
L'énergie est distribuée via 11 lignes aux différents équipements, chaque ligne étant protégée contre les courts-circuits par disjoncteur et dispose d'un capteur de courant et d'un relais. Les lignes du primaire sont de plus équipées d'un capteur de tension et sont isolées des lignes du secondaire par des convertisseurs DC/DC (Direct Current).
Les capteurs de courant et de tension rendent ainsi possibles le contrôle et l'estimation de la consommation d'énergie lors des phases de test.

Système de localisation

La localisation du robot, position et attitude, est donnée par une centrale inertielle. Ce système requiert des arrêts du robot au cours de ses déplacements pour réinitialiser les données afin de garantir une performance optimale.

Système de perception

La perception est assurée par un banc stéréoscopique composé de deux caméras numériques et de l'électronique nécessaire pour contrôler les prises de vues, les numériser, ajuster le temps de pose et les paramètres de la conversion analogique-numérique, et pour transférer les images en sortie à la mémoire du Power PC où elles seront analysées.
Après divers essais, l'espacement des axes des deux caméras a été fixé à 20 cm. Les deux caméras, identiques, sont caractérisées par un large champ, une lentille à faible distorsion (longueur focale : 5,5 mm; diamètre : 30 mm), une matrice CCD dont la trame utile est de 280x384 pixels (pixels carrés de 23 um de côté).

Les dimensions de ce banc sont finalement de 250x72x72 mm pour une masse inférieure à 1 kg. Il est monté au sommet d'une tourelle orientable (360° en azimut et 90° en site), et télescopique (1,50 m à 2,10 m au-dessus du sol). La masse totale de cette tourelle (électronique incluse) est de 5 kg. La faible masse du banc présente l’avantage d’imposer moins de contraintes sur le mât.

Bras manipulateur

Le châssis IARES sera également équipé d'un bras manipulateur à 3 degrés de liberté (ddl) avec un préhenseur à 3 ddl afin d'effectuer des prélèvements de roche. La masse des échantillons pourra atteindre 0,5 kg et leur volume 70x70x70 mm3. Les caractéristiques du bras sont les suivantes :