Détection et isolation des défauts dans les systèmes multi-robots contrôlés

Fault Detection and Isolation in Connected Multi-Robot Systems

• Auteur / Autrice : Anass Taoufik
• Direction : Mohamed Djemai, Krishna Busawon, Michael Defoort
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, Génie informatique
• Date : Soutenance le 05/01/2022
• Etablissement(s) : Valenciennes, Université Polytechnique Hauts-de-France en cotutelle avec Northumbria university (Newcastle upon Tyne, Royaume-Uni)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale polytechnique Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'automatique, de mécanique et d'informatique industrielles et humaines (Valenciennes, Nord ; 1994-...)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national des sciences appliquées Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Stefano Di Gennaro
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohamed Djemai, Krishna Busawon, Michael Defoort, Ibrahim Beklan Kucukdemiral, Didier Theilliol, Yao Zhang, Tyagaraja Sooprayen Modelly Cunden
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Ibrahim Beklan Kucukdemiral, Didier Theilliol

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes informatiques -- Mesures de sûreté

Algorithmes parallèles

Intelligence artificielle répartie

Mots clés libres

Détection et isolation de défauts

Détection d’attaques

Systèmes Multi-Agents

Systèmes connectés

Observateurs à entrées inconnues

Inégalité matricielle linéaire

Stabilité en temps fixe

Stabilité en temps prédéfini

Fault Detection and Isolation

Attack Detection

Multi-Agent Systems

Networked Systems

Unknown Input Observers

Linear Matrix Inequalities

Fixed-time Stability

Predefined-time Stability

Résumé

Les systèmes multi-agents (SMAs) ont beaucoup attiré depuis la décennie précédente en raison de leur large éventail d’applications. En effet, les SMAs connectés sont déployés afin d’atteindre un objectif plus complexe qui pourrait autrement ne pas être réalisable par un seul agent. Dans les approches distribuées, les agents doivent partager leurs informations avec leurs voisins, qui sont ensuite utilisés à des fins de commande et de détection de défaut, et ne nécessitent donc aucune unité de surveillance centrale. Cela se traduit par la nécessité de développer des algorithmes distribués efficaces en termes de robustesse et de sécurité. En effet, le problème de la sécurité dans les SMAs coopérants et connectés est apparu à la suite de leur complexité, de la nature de leurs opérations et de leurs échanges via communication sans fil, ce qui les rend vulnérables non seulement aux défauts physiques, mais également aux cyber-attaques. L’étude de la détection et de l’isolation distribuées de fautes et des attaques dans les SMAs est la principale contribution de cette thèse. Premièrement, une méthodologie distribuée de détection globale des défauts d’actionneur dans une classe de systèmes multiagents linéaires avec des perturbations inconnues est proposée à l’aide d’une cascade d’observateurs mode glissant à temps fixe, où chaque agent ayant accès à leur état et les échanges d’informations voisins, peuvent donner une estimation exacte de l’état du système global. Une approche basée sur les Inégalités Matricielles Linéaires (IMLs) est ensuite utilisée pour la conception distribuée de résidus robustes au niveau de chaque agent, ces résidus étant capable de détecter des défauts n’importe où dans la flotte. Celle-ci est ensuite étendue aux agents avec une dynamique non linéaire non holonome dans laquelle un nouvel algorithme robuste et distribué de détection et d’isolation de défauts est proposé à l’aide de techniques de stabilité à temps prédéfini afin de construire des observateurs mode glissant distribué. Cela permet de reconstruire l’état du système global dans un temps prédéfini et de générer correctement des signaux résiduels. Le cas des systèmes multi-agents sous forme de chaîne d’intégrateurs, où seule la première variable d’état est mesurable et la topologie est dynamique, est étudié, où une nouvelle approche pour identifier les défauts et les cyber-attaques est introduite. L’algorithme proposé fait en sorte que chaque agent joue le rôle d’une unité de surveillance centrale de l’ensemble des activités du système de manière distribuée, en employant des banques d’observateurs mode glissant basés sur la notion de stabilité prédéfinie, où l’estimation de l’état global et des signaux résiduels duquel ils sont générés se fait avant chaque instant de changement de topologie de communication. Ces résidus sont alors capables de distinguer les cyber-attaques, des fautes physiques malgré la topologie commutée. Le problème de la détection et de l’isolation des attaques et des fautes dans des systèmes hétérogènes connectés avec des topologies dirigées, est ensuite étudié. Premièrement, le problème de la détection distribués des défauts actionneurs pour les systèmes multi-agents linéaires et hétérogènes est traité, où un nouveau système d’observateur de sortie a été proposé pour les topologies dirigées et non dirigées. Le principal avantage de cette approche est que la conception ne dépend que des relations entrées/sorties, ce qui rend le temps de calcul, la quantité d’informations échangées et la flexibilité, très intéressants par rapport à d’autres approches qui utilisent l’estimation de tout l’état des agents et leurs voisins comme base de leur conception....

Multi-Agent Systems (MASs) have attracted much popularity, since the previous decade due to their potential wide range of applications. Indeed, connected MASs are deployed in order to achieve more complex objectives that could otherwise not be achievable by a single agent. In distributed schemes, agents must share their information with their neighbours, which are then used for common control and fault detection purposes, and thus do not require any central monitoring unit. This translates into the necessity to develop efficient distributed algorithms in terms of robustness and safety. Indeed, the problem of safety in connected cooperative MASs has arisen as a consequence of their complexity and the nature of their operations and wireless communication exchanges, which renders them vulnerable to not only physical faults, but also to cyber-attacks. The main focus of this thesis is the study of distributed fault and attack detection and isolation in connected MASs. First, a distributed methodology for global detection of actuator faults in a class of linear MASs with unknown disturbances is proposed using a cascade of fixed-time Sliding Mode Observers (SMOs), where each agent having access to their state, and neighbouring information exchanges, can give an exact estimate of the state of the overall MAS. An LMI-based approach is then applied to design distributed global robust residual signals at each agent capable of detecting faults anywhere in the network. This is then extended to agents with nonlinear nonholonomic dynamics where a new distributed robust Fault Detection and Isolation (FDI) scheme is proposed using predefined-time stability techniques to derive adequate distributed SMOs. This enables to reconstruct the global system state in a predefined-time and generate proper residual signals. The case of MASs with higher order integrator dynamics, where only the first state variable is measurable and the topology is switching is investigated, where a new approach to identify faults and deception attacks is introduced. The proposed protocol makes an agent act as a central node monitoring the whole system activities in a distributed fashion whereby a bank of distributed predefined-time SMOs for global state estimation are designed, which are then used to generate residual signals capable of identifying cyber-attacks despite the switching topology. The problem of attack and FDI in connected heterogeneous MASs with directed graphs, is then studied. First, the problem of distributed fault detection for a team of heterogeneous MASs with linear dynamics is investigated, where a new output observer scheme is proposed which is effective for both directed and undirected topologies. The main advantage of this approach is that the design, being dependant only on the input-output relations, renders the computational cost, information exchange and scalability very effective compared to other FDI approaches that employ the whole state estimation of the agents and their neighbours as a basis for their design. A more general model is then studied, where actuator, sensor and communication faults/attacks are considered in the robust detection and isolation process for nonlinear heterogeneous MASs with measurement noise, dynamic disturbances and communication parameter uncertainties, where the topology is not required to be undirected. This is done using a distributed finite-frequency mixed H_/H1 nonlinear UIO-based approach. Simulation examples are given for each of the proposed algorithms to show their effectiveness and robustness.