Logiciels ultralégers pour engins miniatures

La miniaturisation des robots doit beaucoup à l'optimisation des logiciels embarqués et aux dernières avancées de la microélectronique.

Aucun doute, les robots rapetissent avec les années. Ne serait-ce que pour pénétrer là où l'homme ne peut aller : dans des décombres de catastrophes, dans des tuyaux de quelques centimètres de diamètre, etc. Mais les gros modèles industriels fixes rétrécissent eux aussi. " Les premières armoires de commande construites sur mesure, extrêmement volumineuses, ont vécu, confirme François Pierrot, chargé de recherche au Laboratoire d'informatique, de robotique et de microélectronique de Montpellier (Lirmm). L'arrivée des cartes PC, entre autres, a considérablement réduit leur taille. "

Optimiser le logiciel embarqué

Les évolutions matérielles et logicielles de l'informatique participent pleinement de cette miniaturisation. Il en va ainsi de certains développements embarqués très pointus. Ces environnements se sont longtemps limités à des microcontrôleurs programmés en assembleur pour la saisie de données. Désormais, l'informatique embarquée requiert bien souvent les fonctions de systèmes d'exploitation temps réel, qui exigent une importante quantité de mémoire. Pour les adapter à de petites configurations, l'Institut national de recherche en informatique et en automatique (Inria) a mis au point Syndex, un logiciel synchrone, conçu pour des systèmes distribués hétérogènes. Lequel génère, pour une architecture spécifique, le système d'exploitation en même temps que l'application, de manière à n'obtenir que du code utile et opérationnel. L'empreinte mémoire obtenue se révèle donc particulièrement faible. " Nous sommes les premiers à utiliser Syndex industriellement, raconte Pierre Pomiers, thésard en contrat Cifre (convention industrielle de formation par la recherche) chez Robosoft. L'exécutable installé sur la carte de pilotage des roues d'un véhicule automatique ne prend pas plus de 1 Ko. Un système temps réel du marché en aurait exigé plus de 20. "

Capteurs et caméras deviennent microscopiques

Pour réaliser un robot de faibles dimensions, cependant, appliquer un rapport d'échelle ne suffit pas. C'est l'ensemble de la conception qui nécessite d'être repensé. " Les phénomènes physiques utilisables ne sont plus les mêmes, précise Cédric Anthierens, maître de conférence au Centre d'études supérieures des techniques industrielles de l'Institut supérieur des matériaux et de la construction à Toulon. Les capteurs et caméras rétrécissent jusqu'à atteindre des tailles microscopiques. La technologie de construction employée est directement dérivée de l'électronique des processeurs : on grave dans le silicium des capteurs et des actionneurs de la même manière que des puces. " De plus, les prix devraient baisser grâce à une production de masse sous forme de galettes de deux cents, voire deux mille composants. Enfin, l'intégration des technologies informatiques à d'autres disciplines se révèle particulièrement prometteuse. Ainsi, le " lab on chip " de la société Nanobiogène allie biologie et puces électroniques pour réaliser rapidement et à faible coût des analyses immunologiques et génétiques avec des quantités extrêmement réduites de prélèvements.

Laboratoires Sandia : un véhicule autonome de moins de trente grammes

Moins de 15 cm³ de volume, une alimentation, des capteurs, des processeurs, de la mémoire et un système de contrôle. Marv (Miniature Automotive Robotic Vehicule) est le prototype de robot mobile sur roues des Sandia National Laboratories du Nouveau-Mexique. Il ne s'appuie que sur des composants du commerce, à l'exception des capteurs. Et c'est bel et bien l'informatique embarquée qui assure la logique, la navigation et la communication de l'engin. Les capteurs localisent des câbles enterrés, qui émettent des signaux radio. En mesurant la puissance relative du signal au niveau des deux capteurs latéraux, les ordinateurs prennent les décisions et commandent des moteurs pour diriger le robot. Plus ambitieux encore, le projet Small Smart Machines (SMM) envisage des essaims de minuscules véhicules robotisés autonomes, capables d'effectuer des tâches délicates. Par exemple, la localisation et le désamorçage de mines, ou la détection d'armes chimiques et bactériologiques. Pour ce faire, il a fallu employer des méthodes de conception et de développement élaborées, comme les algorithmes génétiques. De plus, avec les interfaces intuitives utilisées pour le développement et le contrôle, les robots se reprogramment rapidement. Mais les chercheurs de Sandia sont allés encore plus loin avec un modèle de 2,2 cm de long, 1,8 cm de haut et 1,3 cm de large, qui pèse moins de 30 g ! Equipé de chenilles, il intègre 8 Ko de mémoire, un capteur de température, trois piles de montre et deux actionneurs.

Lirmm : des circuits de 4 cm² programmés à partir d'un PC

" Nous choisissons sur le marché de toutes petites caméras numériques, livrées avec une chaîne complète de traitement du signal. Ce qui nous fait gagner à la fois de la place et du temps ", indique René Zapata, chercheur au Lirmm. L'informatique se base sur des circuits logiques spécifiques FPGA (Field Programmable Gate Array), types de puces dont les blocs logiques, mais aussi les interconnexions et commutateurs sont programmables. " Ces circuits tiennent sur des plaques dont la surface ne dépasse pas 2 cm sur 2. On peut les programmer de manière extrêmement souple grâce à des logiciels de développement fournis directement par leurs fabricants. Ces outils, qui sont en fait de classiques logiciels de conception assistée par ordinateur (CAO) fonctionnant sur PC, génèrent le programme du robot à partir d'images et de spécifications de son comportement. Après une mise au point, le programme est téléchargé sur le circuit FPGA. "

Alain Bourjault (Laboratoire d'automatique de Besançon) :" Les algorithmes de commande restent volumineux "

Alain Bourjault, directeur du Laboratoire d'automatique de Besançon (LAB) :

" Fini les robots mobiles avec un "fil à la patte", reliés à un ordinateur puissant. Les laboratoires veulent une informatique performante dans leurs petits modules. L'informatique embarquée, en particulier, destinée au traitement des signaux, doit prendre le moins de place possible et consommer peu. Par ailleurs, la micro-électronique permet une miniaturisation extrême, et les microrobots intègrent plusieurs capteurs, des moteurs et des actionneurs. Mais la modélisation de ce type de "machines intelligentes" reste complexe. Et les algorithmes de commande, non linéaires, demeurent très volumineux. "