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Des essaims de robots à l’assaut des grottes lunaires et martiennes

06 juillet 2021 - Source : BLOGUE

 

L’essaim de « rovers » du Laboratoire MIST de Polytechnique a cartographié un site aménagé à l’Agence spatiale canadienne (ASC) qui rappelle le sol de la Lune et de Mars. (Photo : Marcel Kaufmann)

Si vous passez par les environs de Polytechnique Montréal ces prochains jours, il est fort possible que vous croisiez une flotte d'astromobiles, des « rovers », en plein travail. L’équipe du Pr Beltrame mène une série d’expériences avec ses robots d’exploration pour préparer trois missions d’entraînement prévues ces prochains mois. Un prélude aux futures missions d’exploration sur la Lune et sur Mars.

Ils ont la taille d’un four micro-ondes, mais ça ne les empêche pas d’effectuer un travail comparable à celui des grands astromobiles que la NASA a catapulté vers Mars ces dernières années, de Sojourner, à Spirit et Opportunity, en passant par Curiosity, et Perseverance.

Les robots du Laboratoire MIST de Polytechnique Montréal ont comme principale caractéristique de travailler en équipe. En plus de couvrir un grand terrain dans un laps de temps plus court que ne le ferait un seul astromobile, ils permettent aux équipes derrière chaque mission de mieux gérer les risques.

« Si un robot se brise, les autres pourront intervenir pour pallier sa perte », explique Giovanni Beltrame, professeur au département de génie informatique et génie logiciel. « Sur la Lune ou sur Mars, il n'y a pas d'ateliers de réparation de robots, alors il est important d’avoir des filets de sécurité. »

Mais là ne résident pas les seuls avantages d’une flotte de robot.

Ceux de l’équipe de Polytechnique Montréal se présentent sous différentes formes. En plus des astromobiles désormais classiques « à roues », le groupe teste les aptitudes d’exploration d’un robot chien. On évalue aussi la contribution de robots sphériques qui se déplacent en bondissant! Un projet élaboré par le groupe du Pr David St-Onge de l’École de technologie supérieure (ÉTS).

« Chaque robot offre des fonctionnalités uniques et complémentaires », explique Pr Beltrame. « Certains se déplacent mieux sur le sable alors que d’autres peuvent explorer des espaces difficiles d’accès comme un monticule rocheux, ou une caverne. »

Explorer des grottes lunaires, puis martiennes

Professeur Giovanni Beltrame (Photo : Caroline Perron)

Les travaux de l’équipe du Pr Beltrame se déroulent dans un contexte où reprennent les missions d’exploration lunaire. L’Agence spatiale canadienne prévoit d’ailleurs mener sa propre mission sur la Lune d’ici cinq ans.

De son côté, la NASA lorgne non seulement du côté de la Lune, mais aussi de Mars. L’organisation spatiale américaine prévoit d’une part un vol habité vers Mars au cours des années 2030, mais envisage aussi d’y établir une base d’exploration.

Avant d’en arriver là, des robots seront toutefois dépêchés sur place afin d’identifier les meilleurs sites pour accueillir des humains. Et c’est là qu’interviennent des équipes comme celle du Pr Beltrame.

« On pense que l’environnement tempéré d’une grotte serait plus propice pour l’établissement d’une base », confie le chercheur. Or, seul le travail collectif de plusieurs robots permettrait d’explorer et de cartographier pareil endroit, selon lui.

Comprenons bien le contexte. Les parois rocheuses d’une grotte bloquent la transmission de signaux vers la Terre. La surface possiblement accidentée accentue aussi le risque de faire avorter une mission d’exploration si on y envoie un seul robot.

En utilisant une flotte, on répartit le risque sur chacun des maillons de la chaîne. De plus, les robots sont en mesure de relayer l’information entre eux jusqu’à un relais en surface qui permettrait de maintenir les échanges avec la Terre.

Pour y parvenir, les robots d’une flotte doivent toutefois être en mesure de prendre des décisions par eux-mêmes, tout en apprenant de ce que leurs « collègues » explorateurs découvrent. Ils doivent aussi être capables de s’adapter au changement. Bref, il leur faut miser sur une intelligence collective, appelée « intelligence d’essaim » dans le milieu. Une intelligence artificielle embarquée dans chaque robot permet cette prise de décisions collectives.

Grâce à cette intelligence d’essaim, les robots travaillent sous terre avec les principes d’une démocratie. Chaque décision prend la forme d’un calcul qui considère une série de critères. « Ils voteront par exemple, pour décider qui se charge de quoi en prenant en compte les compétences particulières à chaque robot, leur niveau de puissance, leur capacité à se déplacer et la distance qu’ils peuvent parcourir », confie l’ex-ingénieur en microélectronique à l'Agence spatiale européenne (ÉSA).

Le score le plus élevé déterminera quelle sera la décision à chaque fois. Pareil système est déjà utilisé dans les tours de contrôle des aéroports et dans les systèmes de répartition d’entreprises comme Uber.

Un système démocratique n’est toutefois pas infaillible, admet le chercheur. Comme pour les humains, les robots pourraient avoir de la difficulté à trouver un accord sur la façon de réaliser le travail. « Dans l'espace, avec un temps limité, nous avons besoin d'un moyen de résoudre les conflits, explique-t-il. Si cela se produit, différentes options seront utilisées pour décider qui gagne. Générer des comportements fondés sur le consensus, c’est là l’essentiel de notre travail. »
 

Coup d'oeil sur... Les missions à venir

Les astromobiles cartographient leur environnement à l’aide de lidars, puis jumèlent leurs données pour créer des cartes de leur environnement. (Photo : Marcel Kaufmann)

L’équipe du Laboratoire MIST devait se déplacer à Lucerne, en Suisse, ce mois-ci pour prendre part à la mission IGLUNA 2021.

Ses robots auraient alors arpenté de façon semi-autonome les hauteurs du mont Pilatus, communiquant leurs découvertes avec l’équipe de Polytechnique postée à 30 km de là. En raison des règles sanitaires adoptées en Suisse et au Canada, le groupe mènera finalement sa mission de façon virtuelle au Québec.

L’équipe a déjà procédé à une expérience du genre en mai dernier sur le site de l’Agence Spatiale canadienne à Saint-Hubert. Au cours des quelques séances d’entraînement, trois astromobiles ont arpenté le secteur, cartographiant le terrain à l’aide de leurs lidars afin de repérer les obstacles et générer une carte de l’endroit.

Le tout était suivi à distance par une équipe postée dans un petit local du Pavillon Lassonde de Polytechnique Montréal. L’un des participants avait même pour tâche d’orienter la flotte de robots vers des points d’intérêts.

Pr Beltrame se montre satisfait des résultats de ce premier « vrai test » qui a permis de valider que le réseau de communication ad hoc utilisé par les robots est fonctionnel. « Le début de semaine était difficile, mais on a réussi à tout faire fonctionner », confie le chercheur. « C’est un aspect important à considérer, parce qu’il n’y a pas de Wifi ou de réseau cellulaire sur la Lune ou sur Mars. »

Une fois la mission IGLUNA complétée, le groupe mènera deux nouveaux essais dans des grottes. L’une aux États-Unis, et l’autre aux îles Canaries.

Une étude sur l'attention en parallèle

À l’aide d’un casque de réalité virtuelle et d’un outil pour prendre son pouls, Emily B.J. Coffey, professeure en psychologie à l’Université Concordia, a piloté la flotte de robots lors des tests menés en mai dernier en collaboration avec l’Agence spatiale canadienne. (Photo : Marcel Kaufmann)

Outre la communication entre les robots, l’équipe du MIST lab se penche aussi sur celle qui implique un contrôleur humain.

Quel niveau d’attention est requis par l’opérateur d’une flotte de robots? Voilà l’une des questions à laquelle tente de répondre Marcel Kaufmann, étudiant au doctorat sous la supervision du Pr Beltrame.

En surveillant et en enregistrant la pulsation cardiaque, la conductance de la peau ainsi que la nature des ondes cérébrales de la personne dirigeant les robots, l’équipe du MIST souhaite aussi faire en sorte que les robots « comprennent » à quel moment il vaut mieux ne pas déranger le contrôleur en lui « posant une question ».

« On souhaite aussi déterminer quelle charge de travail maximale peut prendre une personne qui mène ce genre de mission », confie le jeune chercheur qui collabore avec Emily B.J. Coffey, professeure en psychologie à l’Université Concordia pour mener à bien ce travail.

On... recrute!

L’équipe du Pr Beltrame recrute.

Curieuse ou curieux d'en apprendre plus sur les projets en cours? Visitez la page du laboratoire ici.

 

En savoir plus

Fiche d’expertise du professeur Giovanni Beltrame
Site Web du Département de génie informatique et génie logiciel
Site Web du Laboratoire MIST
Site Web de la campagne IGLUNA 2021

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