Science des appareils: comment les aspirateurs robotiques naviguent

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Colin McDonald / CNET

Nous avons tous vu des robots aspirateurs se précipiter dans les maisons des gens. Ces ventouses robotiques se déplacent sur le sol, ramassant la poussière et la saleté, puis retournant dans leurs nids électroniques pour se recharger. Nous avons examiné des produits comme le iRobot Roomba 980 qui incluent une quantité effrayante de smarts électroniques. Alors, comment ces merveilles de la technologie de nettoyage moderne se frayent-elles un chemin dans votre maison? La réponse se compose de deux parties: les capteurs et l’intelligence.

Capteurs: comment un robot aspirateur voit le monde

Les aspirateurs robotiques n’utilisent pas de caméras pour voir le monde. Au lieu de cela, ils utilisent différents types de capteurs pour détecter et mesurer les mondes qui les entourent et leurs propres progrès à travers celui-ci, y compris des capteurs de falaise, des capteurs de choc, des capteurs muraux et des encodeurs optiques. Les capteurs de falaise mesurent la distance entre la base du robot et le sol, généralement en faisant rebondir la lumière infrarouge sur le sol. S’il y a une augmentation soudaine de la distance au sol, cela signifie que le robot se rapproche d’un bord d’escalier ou quelque chose de similaire, donc il reculera pour éviter de tomber dessus (d’où le nom de “capteur de falaise”).

Le nom des capteurs de chocs révèle également ce qu’ils font: si le robot aspirateur heurte quelque chose (comme un mur ou une jambe de chaise), l’impact déclenche le capteur. Les capteurs muraux sont comme des capteurs de falaise, mais dans une direction différente: ils indiquent au robot qu’il est proche d’un mur ou d’un autre objet, afin qu’il puisse suivre le mur.

Les encodeurs optiques sont les plus importants: ces capteurs sur les roues du robot lui indiquent jusqu’où il est allé. Ils sont appelés encodeurs optiques car ils utilisent un capteur de lumière pour détecter combien de fois les roues ont tourné. À partir de cela (et de toute différence entre les roues, ce qui indique un virage), le robot peut déterminer la distance parcourue. Différents modèles peuvent inclure des capteurs supplémentaires (comme un scanner de poussière pour voir la quantité de poussière collectée), mais ce sont les capteurs de base que tous les aspirateurs robotiques incluent.

Le parcours de l’iRobot Roomba 980 dans nos tests. Vous pouvez voir comment il suit les murs.

Tyler Lizenby / CNET

Cette combinaison de capteurs signifie que le robot connaît un certain nombre de choses sur le monde qui l’entoure: jusqu’où il est allé, ce qu’il a heurté et ce dont il pourrait tomber. Ce sont les choses qu’un aspirateur robotique de base devra savoir pour naviguer dans le monde qui l’entoure.

Smarts: comment un robot aspirateur parcourt le monde

Ainsi, le robot connaît certaines choses sur le monde en se déplaçant autour de lui. Qu’est-ce qui donne à un aspirateur robotisé l’intelligence de déterminer ce qu’il a (et n’a pas) nettoyé? La réponse pourrait vous surprendre: les insectes.

La plupart des robots aspirateurs modernes sont nés du travail de Rodney Brooks, roboticien au MIT (et l’un des fondateurs d’iRobot, fabricant du Roomba) qui étudiait des animaux simples comme les insectes et les vers plats. Il faisait partie d’une nouvelle vague de recherche en intelligence artificielle (IA) qui s’est éloignée de problèmes complexes comme apprendre à un ordinateur à jouer aux échecs pour se concentrer sur les bases de l’intelligence. Ce mouvement pensait qu’une fourmi n’est pas intelligente, mais qu’elle parcourt le monde. Comment? Ils ont réalisé qu’en suivant un ensemble de règles simples, ces animaux simples pouvaient créer des comportements complexes. Une fourmi individuelle n’a pas beaucoup de cerveaux, mais elle a un ensemble simple de règles qui lui permettent de rechercher de la nourriture, de retourner au nid et de guider les autres. De même, un aspirateur robotique n’a pas besoin de connaître les dimensions exactes d’une pièce pour la nettoyer. Au lieu de cela, il a juste besoin de savoir comment réagir dans quelques situations différentes et il pourra nettoyer une pièce. Les roboticiens appellent ces règles des «comportements», et ce sont des choses simples comme si vous frappez un mur, détournez-vous-en.

Ces comportements sont décrits dans un dépôt de brevet d’iRobot de 2002. Ces comportements sont extrêmement simples: le comportement “droit” indique au robot de continuer tout droit jusqu’à ce qu’il frappe quelque chose. Le comportement de “rebond” lui indique que quand il frappe quelque chose, il doit s’arrêter, se tourner vers un angle loin du mur et se déplacer à nouveau tout droit. Le comportement “en spirale” lui dit de se déplacer vers l’extérieur en spirale, nettoyant le sol en cercles en expansion. Le comportement “suivre le mur” lui dit de bien suivre le mur en “rebondissant” et en allant “droit” jusqu’à ce que le mur soit constamment à une certaine distance.

Lorsque vous les appliquez à un robot aspirateur, ces règles lui permettent de naviguer dans une pièce. Le brevet décrit une séquence typique de comportements:

  • En supposant que l’utilisateur l’a plongé au sommet d’un endroit sale, l’aspirateur commence à se mettre en “spirale” jusqu’à ce qu’il “rebondisse” sur quelque chose, ou qu’il ait voyagé suffisamment loin pour couvrir une zone de taille décente.
  • S’il est tombé sur quelque chose, il se transforme en un comportement de “suivi de mur” pendant une courte période.
  • Après une certaine distance, le vide passe à un comportement “droit” à un angle aléatoire. Dans le brevet, iRobot calcule cette distance comme (3/4 × distance moyenne entre “bosses”) + (1/4 × distance la plus récente entre “bosses”).
  • Le vide va “droit” jusqu’à ce qu’il “rebondisse” sur quelque chose, puis continue tout droit.
  • À un point déterminé par le même calcul que ci-dessus, il tournera selon un angle aléatoire, puis ira “tout droit” ou “tout droit” puis fera une “spirale”.

Un ensemble de comportements similaires détermine ce qu’il faut faire si l’aspirateur est coincé: il a une variété de mouvements (se déplaçant lentement, tournant, reculant) qu’il essaiera de se libérer, avant d’abandonner et de commencer à émettre un bip pathétique pour être sauvé .

Si vous voulez voir ces comportements en action, le pool de photos Flickr d’art Roomba est un bon endroit à regarder. Les artistes derrière ces lampes LED collent sur Roombas dans les pièces sombres et utilisent des photos à longue exposition pour capturer le résultat, créant une traînée de lumière qui montre comment le vide s’est déplacé dans la pièce.

Il est assez édifiant de les regarder et de retracer ce que faisait le nettoyeur à l’époque. Nous pensons généralement que les robots comme celui-ci sont des machines intelligentes qui utilisent des lasers pour cartographier la pièce et un ordinateur complexe pour planifier un chemin. Mais vraiment, les aspirateurs robotiques ressemblent plus à des fourmis qu’à des mégabrains: ce sont des créatures stupides qui suivent servilement quelques instincts simples. Personnellement, cela me fait me sentir un peu mieux: je ne peux pas compter le nombre de ces choses que j’ai accidentellement frappées, trébuché ou essayé de persuader mes chats de grimper et de monter. Sachant qu’ils sont plutôt sombres, je me sens moins comme si je les aurais offensés. Ou du moins si je l’ai fait, le pire qu’ils puissent faire lorsqu’ils deviennent finalement intelligents est de «s’enrouler» autour de moi et de «rebondir» sur moi jusqu’à ce que je me soumette.