Contribution à l'autonomie des robots : vers la garantie de performance en robotique mobile autonome par la gestion des ressources matérielles et logicielles

par Lotfi Jaïem

Thèse de doctorat en Systèmes automatiques et micro-électroniques

Sous la direction de Didier Crestani et de Lionel Lapierre.

Le président du jury était René Zapata.

Le jury était composé de Didier Crestani, Lionel Lapierre, René Zapata, Maryline Chetto, Simon Lacroix, Olivier Parodi, Jacques Malenfant.

Les rapporteurs étaient Maryline Chetto, Simon Lacroix.


  • Résumé

    La performance est un concept multiforme largement décliné et défini en robotique de manipulation où il relève de contraintes spécifiques : environnement non dynamique de dimensions limitées, énergie infinie. Les indicateurs de performance proposés dans le cadre de missions robotiques terrestres sont moins largement acceptés.Pour notre part nous les déclinons en axes principaux : énergie, sécurité, localisation, stabilité, et secondaires : durée par exemple.Dans le cadre de ce travail nous nous intéressons à des missions robotiques soumises à des contraintes de performance liées à la durée, la sécurité et l'énergie dans un environnement connu mais dynamique.La déclinaison des contraintes imposées à la mission et au robot permet de décomposer la mission en une suite d'activités aux contraintes invariantes. Chacune de ces activités pouvant être réalisée à l'aide d'un ensemble de tâches robotiques (se déplacer, se localiser, analyser une image, etc.) pouvant elles-mêmes être implémentées de différentes façons en fonction des actionneurs, capteurs ou algorithmes pouvant être utilisés.Le problème adressé est le suivant : comment choisir les ressources matérielles et logicielles à utiliser tout au long de la mission de façon à vérifier les contraintes de performance imposées ? C'est un problème de sac à dos multicritères NP-Complet et l'espace de recherche devient très rapidement inexplorable. De façon à proposer et garantir une solution applicable sous des contraintes temps réel, nous faisons appel à un algorithme permettant de trouver un ensemble ordonné de bonnes solutions en temps linéaire.L'approche de gestion de ressources proposée a été implémentée sur un robot Pioneer-3DX et une architecture de contrôle s'appuyant sur le Middleware ContrACT.Cette approche a été validée dans le cadre d'une mission de patrouille d'une longueur de 200 m et durant une dizaine de minutes, au sein du laboratoire LIRMM, pour vérifier l'état de vannes.Pour la mission choisie, l'espace d'états à considérer est supérieur à 10^{14}.Tout au long de la mission, les ressources matérielles et logicielles sont choisies dynamiquement et d'une façon autonome afin de satisfaire les contraintes de performance imposées.Si des ressources ne sont plus opérationnelles, ou si trop d'évitements d'obstacles non prévus sont effectués, l'approche développée est capable de trouver en ligne une nouvelle solution d'affectation des ressources vérifiant les contraintes de performance imposées, si elle existe.Ces travaux participant donc à l'accroissement du niveau de tolérance aux fautes du système robotisé.

  • Titre traduit

    Contribution to robot autonomy : Toward performance guarantee for autonomous mobile robotics by hardware and software resources management


  • Résumé

    The performance is a multi-form concept widely defined in manufacturing robotics with specific environment conditions (static and perfectly known) and infinite energy).However, performance indicators proposed in mobile robotics are less widely accepted.We differenciate between main performance axes (energy, safety, localization and stability) and secondary performance axes (duration for example).In our work, we are interested on missions realized under duration, safety and energy performance constraints, in a known but dynamic environment.Applying the different constraints decomposes the mission into a sequence of activities realized under invariant constraints.Each one, can be realized by a set of robotic tasks (move, be located, analyze an image, etc.).These tasks can be implemented in various ways according to the different possibles actuators, sensors and algorithms configurations.The adressed problem is the following: how to choose the hardware and software resources to use along a mission while satisfying the different performance constraints ? It is a multicriteria knapsack problem known to be NP-hard, where the complexity becomes very quickly unexplorable.To propose and guarantee an applicable solution under real-time constraints, we used an algorithm allowing to find a set of good solutions in few iterations.The proposed resources management approach is implemented on a Pioneer-3DX robot using a control architecture based on the Middleware ContrACT.This approach has been validated on a patrolling mission travelling 200 m within the LIRMM laboratory during about 10 mn, to verify the state of valves.For the considered mission, the state space dimension is higher than 10^{14}.The hardware and software resources are dynamically and autonomously selected along the mission to satisfy the different performance constraints.If a resource becomes faulty and/or many obstacle avoidances occure and lead to performance drift, the developed approach finds on line a new resources allocation solution (if it exists).So this approach allows to enhance the fault tolerance of the robotic system.


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