Tolérance aux fautes multi-niveaux pour des robots autonomes - Application à un robot sous-marin

Multi-level fault tolerance for autonomous robots - Application to an underwater robot

• Auteur / Autrice : Adrien Hereau
• Direction : Didier Crestani, Jérémie Guiochet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : SYAM - Systèmes Automatiques et Micro-Électroniques
• Date : Soutenance le 17/06/2022
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique, de robotique et de micro-électronique (Montpellier ; 1992-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Didier Crestani, Jérémie Guiochet, Charles Lesire, Roland Lenain, Jacques Malenfant, Karen Godary
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Charles Lesire, Roland Lenain

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fiabilité

Robots sous-marins

Robots mobiles

Mots clés libres

Robotique mobile

Robotique sous marine

Sûreté de fonctionnement

Tolérance aux fautes

Mobile robotics

Underwater robotics

Dependability

Fault tolerance

Résumé

L'utilisation de robots mobiles se développe dans de nombreux domaines d’application. Ces robots peuvent être utilisés dans des environnements difficiles où l'accès est dangereux voire impossible pour l'homme. Malheureusement, on doit faire faire face à de nombreux événements indésirables lors de ses missions. Ceux-ci peuvent impacter significativement la mission en cours ou la sécurité du robot et de son environnement, ou la boucle de contrôle du robot.Les techniques de la sûreté de fonctionnement apportent des solutions éprouvées dans de nombreux domaines, et notamment la tolérance aux fautes qui permet de détecter et traiter ces situations à l’exécution. Cependant, les approches proposées manquent d'adaptabilité et de généricité, ne couvrant généralement pas les aspects missions, sécurité et boucle de contrôle de façon conjointe. De plus, le manque d’analyse de la compatibilité entre les mécanismes de recouvrement implémentés sur différents niveaux de l'architecture du robot peut avoir des conséquences sur la sécurité et les performances du robot.Ce travail décrit un framework visant à limiter l'apparition de fautes ou la propagation de celles-ci dans les robots mobiles de façon à en minimiser les conséquences indésirables tant au niveau mission que sécurité. Nous proposons une approche multi-niveaux originale traitant 3 catégories d'événements indésirables. Les 2 premières catégories concernent les événements 'haut-niveau': les violations de contraintes de type mission et de type sécurité. La dernière catégorie concerne les événements 'bas-niveau': les fautes, erreurs et défaillances se produisant dans le robot.Dans une phase préliminaire, notre approche nécessite l'élaboration d'arbres de défaillances pour chacune des catégories précédemment identifiées. L'étude qui est ensuite effectuée conduit à un renforcement de la fiabilité du système en cas de fautes en implémentant des recouvrements dits locaux s'ils agissent sans perturber le déroulement de la mission. Pendant la phase de fonctionnement normal, les événements indésirables sont vérifiés grâce à un modèle extrait de l'arbre de défaillances. Le système peut alors utiliser une redondance ou un recouvrement local afin de limiter la propagation d'un événement indésirable ou de le supprimer. En cas de détection d'un événement sans solution de repli local, un recouvrement global visant à changer de tâche est alors proposé par un gestionnaire de mission. Les contributions sont un framework complet permettant de mettre en place toutes les étapes de cette analyse, ainsi qu’un algorithme de recouvrement des événements identifiés dans les arbres de défaillances.Nous avons testé notre framework sur un robot sous-marin capable d'effectuer des missions en autonomie. Les tests ont été effectués dans le cadre de missions d'observation de l'écosystème sous-marin appelées transects. Ils démontrent que notre approche permet de limiter l’apparition d’événements catastrophiques tout en autorisant une gestion adéquate de la mission.

The use of mobile robots is growing in many fields of application. These robots can be used in harsh environments where access is dangerous or even impossible for humans. Unfortunately, we have to face many undesired events during these missions. These can significantly impact the mission in progress or the safety of the robot and its environment or the control loop of the robot.Dependability techniques provide proven solutions in many areas, and in particular fault tolerance which allows to detect and treat these situations at runtime. However, the proposed approaches lack adaptability and genericity, generally not covering the mission, safety and control loop aspects in a joint way. In addition, the lack of compatibility analysis between the recovery mechanisms implemented on different levels of the robot can have consequences on the safety and performance of the robot.This work describes a framework to limit the occurrence or propagation of faults in mobile robots in order to minimize the undesirable consequences both at the mission and safety levels. We propose an original multi-level approach dealing with 3 categories of undesired events. The first 2 categories concern 'high-level' events: violations of mission and safety constraints. The last category concerns 'low-level' events: faults, errors and failures occurring in the robot.In a preliminary phase, our approach requires the construction of fault trees for each of the previously identified categories. The study which is then carried out leads to a reinforcement of the reliability of the system in case of faults, by implementing local recoveries which act without disrupting the course of the mission. During the running phase, the undesired events are checked thanks to a model extracted from the fault trees. The system can then use local redundancy or recovery to limit the propagation of an undesired event or to suppress it. If an event is detected without a local fallback solution, a global recovery aiming at changing task is then proposed by a mission manager. The contributions are a complete framework to implement all the steps of this analysis, as well as an algorithm to recover from the events identified in the fault trees.We tested our framework on an underwater robot capable of performing autonomous missions. The tests were carried out within the framework of observation missions of the underwater ecosystem called transect. They demonstrate that our approach allows to limit the occurrence of catastrophic events while allowing an adequate management of the mission.