Contributions à la coordination de tâches et de mouvements pour un système multi-robots

This thesis studies the issue of multi-robot coordination from the standpoint of planning, which contains task planning and motion planning. Two new approaches are proposed for the task planning. The first one is a decentralized approach based on trading rules. This approach is designed to simulate the relationship between buyers and sellers in a business system, to achieve dynamic task allocation by using a mechanism of unsolicited bid. The second approach is an heuristic one which is based on an empirical model. It is designed to assign the transportation task to individual robots by estimating the production rate of goods in a centralized system. Two new approaches are proposed for the motion planning. Both are sampling-based approaches, designed to plan separate kinematic paths for multiple robots to minimize the issue of waiting situation including congestion, collision and deadlock, in an effective way in order to improve the system planning efficiency. All these proposed approaches have been tested and evaluated through simulation experiments.Nous étudions dans ce mémoire le problème de la coordination de tâches et de mouvements pour un système multi-robots du point de vue de la planification. Nos travaux se concrétisent par quatre nouvelles approches : une approche contrarienne centrée sur les échanges, une approche heuristique basée sur un modèle empirique, une approche par échantillonnage dédié à la décision et une approche par échantillonnage adaptatif. Toutes les approches proposées dans ce mémoire ont été testées et évaluées par des expériences de simulation

Contrôle décentralisé pour des systèmes multi-robots coopératifs

Interactions et contrôle décentralisé -- Exemple d'application : transport cooperatif d'une poutre -- Description du contrôleur décentralisé -- Analyse sensoriel -- Présentation du banc d'essai et des résultats expérimentaux

Systèmes cognitifs artificiels : du concept au développement de comportements intelligents en robotique autonome

Les travaux présentés dans le cadre de cette habilitation à diriger des recherches s’appuient sur le principe de la robotique développementale et plus particulièrement sur le paradigme de l’énaction. L’idée n’est donc pas de développer un robot intelligent, mais plutôt de concevoir un robot qui soit capable de le devenir. L’originalité du travail présenté dans ce mémoire repose sur le fait que le système cognitif artificiel est décomposé en deux parties distinctes : la première regroupe des processus cognitifs « inconscients » et la deuxième concerne les processus cognitifs « conscients ». Les processus cognitifs inconscients correspondent aux aptitudes (pré-programmées ou apprises) fonctionnant de manière quasi-automatique, alors que les processus cognitifs conscients contribuent au développement et à l’apprentissage de nouvelles aptitudes. La cognition associée au robot est donc le résultat d’un processus de développement par lequel le robot devient progressivement plus habile et acquiert les connaissances lui permettant d’interpréter le monde qui l’entoure.Ce mémoire se décompose en trois grandes parties. La première partie correspond à un curriculum vitae détaillé présentant l’ensemble de mon parcours professionnel. La deuxième partie est consacrée à la présentation plus approfondie de mes activités de recherches qui se sont focalisées sur le développement de systèmes cognitifs artificiels appliqués à la robotique avec des applications dans les domaines de la locomotion bipède, la perception et l’acquisition autonome de connaissances ainsi que les systèmes multi-robots et l’intelligence distribuée. Enfin, la troisième partie est une compilation de quatre articles de revue représentatives de l’ensemble de mes travaux de recherches

Systèmes multi-robots aériens : architecture pour la planification, la supervision et la coordination

Les robots aériens (UAV, pour Unmanned Aerial Vehicles) font l'objet d'un intérêt croissant dans la communauté robotique. Ils offrent un large champ d'applications, mais introduisent des modalités d'opération particulières (contraintes logistiques, capacités de déplacement...). Dans ce travail, nous nous intéressons aux systèmes multi-UAV : l'opération conjointe d'un certain nombre d'UAV nécessite de bâtir une architecture multi-robot qui puisse prendre en compte le potentiel et les contraintes des UAV. Dans ce but, nous introduisons une notion de "degré d'autonomie décisionnelle", qui reflète le niveau de délégation de capacités autonomes aux robots par un opérateur du système. Un exécutif générique est proposé pour interfacer, au niveau de chacun des UAV du système, les différentes configurations possibles de délégation de l'autonomie décisionnelle : celui-ci reçoit et traite des plans de tâches produits soit par un centre de contrôle en charge de tous les UAVs (bas degrés d'autonomie), soit par une couche délibérative individuelle, au niveau de chacun des UAV (hauts degrés d'autonomie). Dans ce dernier cas, nous proposons une couche délibérative permettant aux UAVs de planifier et coordonner leurs tâches, afin d'opérer conjointement dans le cadre d'une mission donnée. Cette couche délibérative regroupe un couple planificateur symbolique / raffineurs géométriques, ainsi qu'un gestionnaire d'interactions à base de modèles. Une partie des développements a été testée avec succès dans le cadre du projet européen Comets, avec 3 UAV hétérogènes (deux hélicoptères et un dirigeable). Les autres développements ont donné lieu à des tests en simulation

Planification de mouvements et manipulation d'objets par des torses humanoïdes

L’apparition de robots de service de plus en plus complexes ouvre de nouvelles perspectives quant aux tâches de manipulation d’objets. Malgré les progrès récents des techniques de planification de mouvement, peu d'entre elles s'intéressent directement à des systèmes multi-bras comme les torses humanoïdes. Notre contribution à travers cette thèse porte sur trois aspects. Nous proposons une technique de planification de mouvement performante basée sur la coordination des mouvements du système multi-bras. Elle exploite au mieux la structure du système en la divisant en parties élémentaires dont les mouvements sont planifiés indépendamment du reste du système. La fusion des différents réseaux élémentaires générés est ensuite réalisée dans le but d’obtenir un graphe prenant en compte le robot tout entier. Une seconde contribution porte sur l'extension des méthodes de planification pour des robots présentant des chaînes cinématiques fermées. Ces boucles cinématiques apparaissent dans le système lorsque, par exemple, le torse humanoïde saisit un objet avec plusieurs bras. Cette méthode traite explicitement les configurations singulières des manipulateurs, offrant ainsi une meilleure maniabilité de l’objet. Finalement, nous proposons deux approches pour la planification de tâches de manipulation d'objets par un torse humanoïde. La première concerne la résolution d’une tâche de prise et pose d'objets par un torse humanoïde à deux bras dans le cas où les contraintes imposées par la tâche nécessitent le passage par une double prise afin de transférer l'objet d'une main à l'autre. La seconde porte sur la résolution du même type de tâche par un manipulateur mobile. La thèse, effectuée dans le cadre du projet européen Phriends, présente les résultats d'expérimentations réalisées sur le robot Justin, démonstrateur du projet. ABSTRACT : The emergence of new more and more complex service robots opens new research fields on objet manipulation. Despite the recent progresses in motion planning techniques, few of them deal directly with multi-arm systems like humanoid torsos. Our contribution through this thesis focuses on three aspects. We present an efficient motion planning technique based on the multi-arm system motion coordination. It takes advantage of the system's structure by dividing it into elementary parts of which movements are planned independently of the rest of the system. Generated elementary networks are then fused to obtain a roadmap that takes into account the whole robot. The second contribution consists of the extension of motion planning methods for a robot under loop closure constraints. These kinematic loops appear in the system when, for example, the humanoid torso grasps an objet with two arms. This method treats explicitly the singular configurations of the manipulators, providing better handling of the object. Finally, we present two approaches for planning object manipulation tasks by humanoid torsos. The first concerns solving pick and place task by humanoid torso where the imposed task constraints require a passage through a double grasp to transfer the object from one hand to the other. The second approach concerns the resolution of the same type of task by a mobile manipulator. The presented methods have been integrated on a real platform, Justin, and validated with experiments in the frame of E.U. FP-6 PHRIENDS project

Une architecture de contrôle distribuée pour l'autonomie des robots

Pour des tâches simples ou dans un environnement contrôlé, la coordination des différents processus internes d un robot est un problème relativement trivial, souvent implémenté de manière ad-hoc. Toutefois, avec le développement de robots plus complexes travaillant dans des environnements non contrôlés et dynamiques, le robot doit en permanence se reconfigurer afin de s adapter aux conditions extérieures et à ses objectifs. La définition d une architecture de contrôle efficace permettant de gérer ces reconfigurations devient alors primordiale pour l autonomie de tels robots. Dans ces travaux, nous avons d abord étudié les différentes architectures proposées dans la littérature, dont l analyse a permis d identifier les grandes problématiques qu une architecture de contrôle doit résoudre. Cette analyse nous a mené à proposer une nouvelle architecture de contrôle décentralisée, générique et réutilisable, selon une démarche qui intègre une approche "intelligence artificielle" (utilisation de raisonneur logique, propagation dynamique de contraintes) et une approche "génie logiciel" (programmation par contrats, agents). Après une présentation des concepts qui sous-tendent cette architecture et une description approfondie de son fonctionnement, nous en décrivons une implémentation, qui est exploitée pour assurer le contrôle d un robot terrestre d extérieur dans le cadre de tâches de navigation, d exploration ou de suivi. Des résultats sont présentés et analysés. Dans une seconde partie, nous nous sommes penchés sur la modélisation et la vérifiabilité d une telle architecture de contrôle. Après avoir analysé différentes solutions, nous décrivons un modèle complet de l architecture qui utilise la logique linéaire. Nous discutons ensuite des différentes approches possibles pour montrer des propriétés d atteignabilité et de sûreté de fonctionnement en exploitant ce modèle. Enfin nous abordons différentes voies d enrichissement de ces travaux. En particulier, nous discutons des extensions possibles pour le contrôle d un ensemble de robots coopérants entre eux, mais aussi de la nécessité d avoir des liens plus forts entre cette couche de contrôle, et les approches de modélisation des fonctionnalités sous-jacentes.For simple tasks in a controlled environment, the coordination of the internal processes of a robot is a relatively trivial task, often implemented in an ad-hoc basis. However, with the development of more complex robots that must operate in uncontrolled and dynamic environments, the robot must constantly reconfigure itself to adapt to the external conditions and its own goals. The definition of a control architecture to manage these reconfigurations becomes of paramount importance for the autonomy of such robots. In this work, we first study the different architectures proposed in the literature, and analyse the major issues that a control architecture must address. This analysis led us to propose a new architecture, decentralized, generic and reusable, integrating an artificial intelligence approach (use of logical reasoning, dynamic propagation of constraints) and a software engineering approach (programming by contract, agents). After a presentation of the concepts underlying this architecture and an in-depth description of its operation, we describe an implementation which is used to control of a ground robot for navigation, exploration and monitoring tasks. Results are presented and analyzed. In a second part, we focus on the modeling and verifiability of such a control architecture. After analyzing different solutions, we present a comprehensive model of the proposed architecture that uses linear logic. We then discuss the different possible approaches to assess the properties of reachability and safety within this model. Finally we discuss different ways to enrich this work. In particular, we discuss possible extensions to the control of a multiple cooperating robots, but also the need for stronger links between the control layer and the modeling.TOULOUSE-INP (315552154) / SudocSudocFranceF

Une architecture de contrôle distribuée pour l'autonomie des robots

Pour des tâches simples ou dans un environnement contrôlé, la coordination des différents processus internes d’un robot est un problème relativement trivial, souvent implémenté de manière ad-hoc. Toutefois, avec le développement de robots plus complexes travaillant dans des environnements non contrôlés et dynamiques, le robot doit en permanence se reconfigurer afin de s’adapter aux conditions extérieures et à ses objectifs. La définition d’une architecture de contrôle efficace permettant de gérer ces reconfigurations devient alors primordiale pour l’autonomie de tels robots. Dans ces travaux, nous avons d’abord étudié les différentes architectures proposées dans la littérature, dont l’analyse a permis d’identifier les grandes problématiques qu’une architecture de contrôle doit résoudre. Cette analyse nous a mené à proposer une nouvelle architecture de contrôle décentralisée, générique et réutilisable, selon une démarche qui intègre une approche "intelligence artificielle" (utilisation de raisonneur logique, propagation dynamique de contraintes) et une approche "génie logiciel" (programmation par contrats, agents). Après une présentation des concepts qui sous-tendent cette architecture et une description approfondie de son fonctionnement, nous en décrivons une implémentation, qui est exploitée pour assurer le contrôle d’un robot terrestre d’extérieur dans le cadre de tâches de navigation, d’exploration ou de suivi. Des résultats sont présentés et analysés. Dans une seconde partie, nous nous sommes penchés sur la modélisation et la vérifiabilité d’une telle architecture de contrôle. Après avoir analysé différentes solutions, nous décrivons un modèle complet de l’architecture qui utilise la logique linéaire. Nous discutons ensuite des différentes approches possibles pour montrer des propriétés d’atteignabilité et de sûreté de fonctionnement en exploitant ce modèle. Enfin nous abordons différentes voies d’enrichissement de ces travaux. En particulier, nous discutons des extensions possibles pour le contrôle d’un ensemble de robots coopérants entre eux, mais aussi de la nécessité d’avoir des liens plus forts entre cette couche de contrôle, et les approches de modélisation des fonctionnalités sous-jacentes. ABSTRACT : For simple tasks in a controlled environment, the coordination of the internal processes of a robot is a relatively trivial task, often implemented in an ad-hoc basis. However, with the development of more complex robots that must operate in uncontrolled and dynamic environments, the robot must constantly reconfigure itself to adapt to the external conditions and its own goals. The definition of a control architecture to manage these reconfigurations becomes of paramount importance for the autonomy of such robots. In this work, we first study the different architectures proposed in the literature, and analyse the major issues that a control architecture must address. This analysis led us to propose a new architecture, decentralized, generic and reusable, integrating an artificial intelligence approach (use of logical reasoning, dynamic propagation of constraints) and a software engineering approach (programming by contract, agents). After a presentation of the concepts underlying this architecture and an in-depth description of its operation, we describe an implementation which is used to control of a ground robot for navigation, exploration and monitoring tasks. Results are presented and analyzed. In a second part, we focus on the modeling and verifiability of such a control architecture. After analyzing different solutions, we present a comprehensive model of the proposed architecture that uses linear logic. We then discuss the different possible approaches to assess the properties of reachability and safety within this model. Finally we discuss different ways to enrich this work. In particular, we discuss possible extensions to the control of a multiple cooperating robots, but also the need for stronger links between the control layer and the modeling

Composition dynamique de services sensibles au contexte dans les systèmes intelligents ambiants

With the appearance of the paradigms of the ambient intelligence and ubiquitaire robotics, we attend the emergence of new ambient intelligent systems to create and manage environments or intelligent ecosystems in a intuitive and transparent way. These environments are intelligent spaces characterized in particular by the opening, the heterogeneousness, the uncertainty and the dynamicité of the entities which establish(constitute) them. These characteristics so lift(raise) considerable scientific challenges for the conception(design) and the implementation of an adequate intelligent system. These challenges are mainly among five: the abstraction of the representation of the heterogeneous entities, the management of the uncertainties, the reactivity in the events, the sensibility in the context and the auto-adaptationAvec l'apparition des paradigmes de l'intelligence ambiante et de la robotique ubiquitaire, on assiste à l'émergence de nouveaux systèmes intelligents ambiants visant à créer et gérer des environnements ou écosystèmes intelligents d'une façon intuitive et transparente. Ces environnements sont des espaces intelligents caractérisés notamment par l'ouverture, l'hétérogénéité, l'incertitude et la dynamicité des entités qui les constituent. Ces caractéristiques soulèvent ainsi des défis scientifiques considérables pour la conception et la mise en œuvre d'un système intelligent adéquat. Ces défis sont principalement au nombre de cinq : l'abstraction de la représentation des entités hétérogènes, la gestion des incertitudes, la réactivité aux événements, la sensibilité au contexte et l'auto-adaptation face aux changements imprévisibles qui se produisent dans l'environnement ambiant. L'approche par composition dynamique de services constitue l'une des réponses prometteuses à ces défis. Dans cette thèse, nous proposons un système intelligent capable d'effectuer une composition dynamique de services en tenant compte, d'une part, du contexte d'utilisation et des diverses fonctionnalités offertes par les services disponibles dans un environnement ambiant et d'autre part, des besoins variables exprimés par les utilisateurs. Ce système est construit suivant un modèle multicouche, adaptatif et réactif aux événements. Il repose aussi sur l'emploi d'un modèle de connaissances expressif permettant une ouverture plus large vers les différentes entités de l'environnement ambiant notamment : les dispositifs, les services, les événements, le contexte et les utilisateurs. Ce système intègre également un modèle de découverte et de classification de services afin de localiser et de préparer sémantiquement les services nécessaires à la composition de services. Cette composition est réalisée d'une façon automatique et dynamique en deux phases principales: la phase offline et la phase online. Dans la phase offline, un graphe global reliant tous les services abstraits disponibles est généré automatiquement en se basant sur des règles de décision sur les entrées et les sorties des services. Dans la phase online, des sous-graphes sont extraits automatiquement à partir du graphe global selon les tâches à réaliser qui sont déclenchées par des événements qui surviennent dans l'environnement ambiant. Les sous-graphes ainsi obtenus sont exécutés suivant un modèle de sélection et de monitoring de services pour tenir compte du contexte d'utilisation et garantir une meilleure qualité de service. Les différents modèles proposés ont été mis en œuvre et validés sur la plateforme ubiquitaire d'expérimentation du laboratoire LISSI à partir de plusieurs scénarii d'assistance et de maintien de personnes à domicil

Interaction décisionnelle homme-robot : la planification de tâches au service de la sociabilité du robot

Cette thèse aborde la problématique du robot assistant et plus particulièrement les aspects décisionnels qui y sont liés. Un robot assistant est amené à interargir avec des hommes ce qui impose qu'il doit intègrer dans son processus décisionnel de haut-niveau les contraintes sociales inhérentes à un comportement acceptable par son(ses) partenaire(s) humain(s). Cette thèse propose une approche permettant de décrire de manière générique diverses règles sociales qui sont introduites dans le processus de planification du robot afin d'évaluer la qualité sociale des plans solutions et de ne retenir que le(s) plus approprié(s). Cette thèse décrit également l'implémentation de cette approche sous la forme d'un planificateur de tâches appelé HATP (Human Aware Task Planner en anglais). Enfin, cette thèse propose une validation de l'approche développée grâce à un scénario de simulation et à une mise en oeuvre sur un robot réel.This thesis is about assistive robot challenge et more especially about decisional issues linked to it. An assistive robot has to interact with humans which implies that it must integrate in its high-level decisional process some social constraints inherent in a behaviour acceptable by its human partner(s). This thesis proposes an approach allowing to describe, in a generic way, a set of social rules introduced in the robot planning process in order to evaluate social quality of solution plans and, thus, keep the most appropriate. This thesis also describes implementation of this approach in the form of a task planner called HATP (Human Aware Task Planner). Finally, this thesis proposes a validation of the developed approach with a simulation scenario and an implementation on a real robot