Cette thèse traite le problème de la co-conception des systèmes commandés à travers un réseau sans fil (WNCS). L'intégration du réseau sans fil (WN) dans la boucle de commande influence la Qualité de Contrôle (QoC) du système en terme de la Qualité de Service (QoS) du réseau sans fil. Nous présentons une approche de co-conception basée sur des réseaux bayésiens distribués. Cette approche permet de prendre des décisions pour assurer une bonne QoC pour le robot et aussi faire en sorte que la QoS soit toujours suffisante pour maintenir une bonne QoC. Maintenir une QoS suffisante dépend de la méthode d'ordonnancement utilisée et donc l'approche proposée vise également à déterminer une méthode d'ordonnancement pour maintenir les performances du système. Nous proposons dans nos travaux d'utiliser des robots unicycles mobiles (Khepera III) comme benchmark pour tester nos approches et comparer les résultats de simulation avec les résultats de l'expérimentation.

Ce travail étudie l'apport de l'algèbre différentielle à deux problématiques principales de la robotique mobile à roues, la localisation et la navigation. La première problématique consiste à être capable de dire où le robot se situe dans son environnement. Nous supposons ici que nous possédons un certain nombre de points d'intérêt de l'espace dont les coordonnées dans cette espace sont connues. En fonction du nombre de points d'intérêt, il est possible ou non de localiser le robot. Cette notion de localisabilité est définie et étudiée dans le cadre algébrique. Nous montrons que ce cadre d'étude est plus intéressant que le cadre géométrique en ce sens que non seulement il permet l'étude de la localisabilité mais en plus il permet de construire des estimateurs d'états permettant de reconstruire la posture du robot. Cette étude est effectuée dans cinq cas d'études pour quatre des cinq classes de robots mobiles à roues. La deuxième problématique étudiée est celle de la navigation d'une flottille décentralisée de robots dans un environnement complexe. Ce travail présente une architecture pouvant être utilisée dans une large classe de problème et bénéficiant des avantages des approches discrètes et des approches continues. En effet, à haut niveau, un bloc stratégie spécifie l'objectif, les contraintes et leurs paramètres ainsi que la fonction coût utilisée, à bas niveau, une trajectoire est calculée afin de minimiser la fonction coût en respectant l'objectif et les contraintes du problème. Cette minimisation est faite sur un horizon glissant de manière à pouvoir prendre en compte des modifications de l'environnement ou de la mission en cours de navigation

Ce travail s'inscrit dans le cadre de la commande d'un système multi agents/ multi véhicules. Cette thèse traite en particulier le cas de la commande d'un système multi-robots mobiles non-holonomes. L'objectif est de concevoir des lois de commandes appropriées pour chaque robot de sorte que l'ensemble des robots puisse exécuter des tâches spécifiques, de suivre des trajectoires désirées tout en maintenant des configurations géométriques souhaitées. L'approche leadeur-suiveur pour la commande d'un groupe de robots mobiles non-holonomes est étudiée en intégrant la technologie backstepping, avec une approche basée sur les neurodynamiques bioinspirées. Le problème de commande distribuée d'un système multi robots sur le consensus est également étudié. Des lois de commandes cinématiques distribuées sont développés afin de garantir au système multi-robots la convergence exponentielle vers une configuration géométrique souhaitée. Afin de tenir compte de la dynamique des paramètres inconnus, des commandes adaptatives de couple sont développés pour que le système multi-robots puisse converger asymptotiquement vers le modèle géométrique souhaité. Lorsque la dynamique est inconnue, des commandes à base de réseaux de neurones sont proposées

Thèse doctorat : Automatique Industrielle : Villeurbanne, INSA : 2005. / Thèse rédigée en anglais. Résumé étendu en français. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 155-167.

En cas de sinistre, les infrastructures de communication peuvent être partiellement ou totalement détruites, ou devenir inefficaces en raison du trafic élevé. Néanmoins, il est nécessaire d'assurer la connexité entre les équipes de secours et le centre de commandement. Par conséquent, des solutions de communication temporaires sont essentielles jusqu'à ce que l'infrastructure soit rétablie. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur le déploiement d'une solution de communication appelée réseaux de substitution. Ainsi, nous proposons un algorithme d'auto - déploiement pour permettre aux routeurs mobiles, composant un réseau de substitution, de se répartir pour couvrir la zone cible. Notre algorithme surveille les conditions du réseau pour décider si le routeur doit ou non se déplacer, il règle la position de ce dernier en fonction des informations provenant des nœuds voisins à un saut au moyen de la mesure active, c'est à dire, les paquets sondes. Ces paquets sondes permettent à l'algorithme de surveiller le canal et ses éventuels changements au fil du temps. Nous comparons les différents paramètres pour évaluer la qualité du lien et nous observons le comportement de notre algorithme de déploiement considérant chaque paramètre séparément. Par ailleurs, nous étudions comment la mobilité contrôlée des routeurs affecte la performance du réseau au moyen des simulations. Afin d'évaluer la qualité de la liaison, la plupart des algorithmes de déploiement utilisent des techniques de la mesure active. Ces techniques nécessitent que les nœuds envoyent des paquets sondes sur le réseau pour obtenir des mesures. La précision de telles mesures dépend de la fréquence des paquets sondes transmis. Cette précision est importante lorsque les caractéristiques du canal changent au fil du temps. Néanmoins, il existe un compromis entre le taux de transmission des paquets sondes et la précision des mesures. Si le taux de transmission des paquets est suffisamment élevé, les connaissances obtenues seront exactes, cependant, le coût augmentera proportionnellement en consommant plus de ressources réseau. D'ailleurs, puisque notre algorithme de déploiement dépend de la mesure de la qualié du lien pour prendre une décision, si on réduit le taux de transmission des paquets sondes, on augmente le temps nécessaire au routeur pour rassembler des informations pour prendre la décision de mouvement et, en conséquence on augmente le temps de déploiement. C'est pourquoi, nous proposons d'utiliser des données de substitution obtenues au moyen d'un estimateur autorégressif pour réduire la surcharge sans impacter notre algorithme de déploiement. Nous montrons par simulation l'efficacité des deux algorithmes et de leurs performances en termes de temps de déploiement, de délai, de gigue et de débit.

L’autonomie d’un agent mobile se définit par sa capacité à naviguer dans un environnement sans intervention humaine. Cette tâche s’avère très demandée pour les robots d’assistance à la personne. C’est pour cela que notre contribution s’est portée en particulier sur l’instrumentation et l’augmentation de l’autonomie d’un fauteuil roulant pour les personnes à mobilité réduite. L’objectif de ce travail est de concevoir des lois de commande qui permettent à un robot de naviguer en temps réel et en toute autonomie dans un environnement inconnu. Un cadre de perception virtuelle unifié est introduit et permet de projeter l’espace navigable obtenu par des observations éventuellement multiples. Une approche de navigation autonome et sûre a été conçue pour se déplacer dans un environnement peu encombré dont la structure peut être assimilée à un couloir (lignes au sol, murs, délimitation herbes, routes...). La problématique a été résolue en utilisant le formalisme de l’asservissement visuel. Les caractéristiques visuelles utilisées dans la loi de commande ont été construites à partir de la représentation virtuelle (à savoir la position du point de fuite et l’orientation de la ligne médiane du couloir). Pour assurer une navigation sûre et lisse, même lorsque ces paramètres ne peuvent pas être extraits, nous avons conçu un observateur d’état pour estimer les caractéristiques visuelles dans le but de maintenir la commande fonctionnelle du robot. Cette approche permet de faire naviguer un robot mobile dans un couloir même en cas de défaillance sensorielle (données non fiables) et/ou de perte de mesure. La première contribution de cette thèse a été étendue en traitant tout type d’environnement encombré statique ou dynamique. Cela a été réalisé en utilisant le diagramme de Voronoï. Le diagramme de Voronoï généralisé, également appelé squelette, est une représentation puissante de l’environnement. Il définit un ensemble de chemins à la distance maximale des obstacles. Dans ce travail, une approche d’asservissement visuel basée sur le squelette extrait en temps réel était proposée pour une navigation autonome et sûre des robots mobiles. La commande est basée sur une approximation du DVG local en utilisant le Delta Medial axis, un algorithme de squelettisation rapide et robuste. Ce dernier produit un squelette filtré de l’espace libre entourant le robot en utilisant un paramètre qui prend en compte la taille du robot. Cette approche peut faire face aux bruits de mesure au niveau de la perception et au niveau de la commande à cause des glissement des roues. C’est pour cela que nous avons conçu une approche d’asservissement visuel sur une prédiction d’une linéarisation du DVG. Une analyse complète a été réalisée pour montrer la stabilité des lois de commandes proposées. Des simulations et des tests expérimentaux valident l’approche proposée. / The autonomy of a mobile agent is defined by its ability to navigate in an environment without human intervention. This task is very required for personal assistance robots. That’s why our contribution has been particularly focused on instrumentation and increasing the autonomy of a wheelchair for reduced mobility peaple. The objective of this work is to design control laws that allow a robot to navigate in real time and independently in an unknown environment. A unified virtual perception framework is introduced and allows to project the navigable space obtained by possibly multiple observations. First we designed an autonomous and safe navigation approach in environment whose structure can be assimilated to a corridor (lines on the ground, walls, delimitation of grasses, roads ...). We have solved this problem by using the formalism of visual servoing. The visual characteristics used in the control law were constructed from the virtual representation (ie the position of the vanishing point and the orientation of the center line of the corridor). To ensure safe and smooth navigation, even when these parameters can not be extracted, we have designed a finite-time state observer to estimate the visual characteristics in order to maintain the robot’s control efficient. This approach let a mobile robot navigate in a corridor even in in the case of sensory failure (unreliable data) and/or loss of measurement. We have extended the first contribution of this work with dealing with any type of static or dynamic environment. This was done using the Voronoi diagram. The Generalized Voronoi Diagram (GVD), also named skeleton, is a powerful environment representation, since, among other reasons, it defines a set of paths at maximal distance from the obstacles. In this work, a real time skeleton based visual servoing approach is proposed for a safe autonomous navigation of mobile robots. The control is based on an approximation of the local GVD using the Delta Medial Axis, a fast and robust skeletonization algorithm. The latter produces a filtered skeleton of the free space surrounding the robot using a pruning parameter that takes into account the robot size. This approach can cope with measurement noises at the perception and control with the wheel slip. This is why we have designed a visual servoing approach on a prediction of a GVD linearization. A complete analysis was performed to show the stability of the proposed control laws. Simulations and experimental tests validate the proposed approach.

In this dissertation, we propose and study methods for information transfer within a swarm of mobile robots that coordinately move, or flock, in a common direction. We define information transfer as the process whereby robots share directional information in order to coordinate their heading direction. We identify two paradigms of information transfer: explicit information transfer and implicit information transfer. <p><p>In explicit information transfer, directional information is transferred via communication. Explicit information transfer requires mobile robots equipped with a a communication device. We propose novel communication strategies for explicit information transfer, and we perform flocking experiments in different situations: with one or two desired directions of motion that can be static or change over time. We perform experiments in simulation and with real robots. Furthermore, we show that the same explicit information transfer strategies can also be applied to another collective behavior: collective transport with obstacle avoidance. <p><p>In implicit information transfer, directional information is transferred without communication. We show that a simple motion control method is sufficient to guarantee cohesive and aligned motion without resorting to communication or elaborate<p>sensing. We analyze the motion control method for its capability to achieve flocking with and without a desired direction of motion, both in simulation and using real robots. Furthermore, to better understand its underlying mechanism, we study this<p>method using tools of statistical physics, showing that the process can be explained in terms of non-linear elasticity and energy-cascading dynamics. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Lorsque des robots travaillent en équipe, il est avantageux de permettre à ceux-ci de se localiser mutuellement pour faire, par exemple, de la navigation en formation. La résolution de la localisation relative est d'une importance particulière pour des équipes de robots aériens ou sous-marins lorsque ceux-ci opèrent dans des environnements dépourvus de points de repère. Ce problème se complexifie davantage lorsque le système de localisation permet seulement l'utilisation de caméras légères et bon marché. Cette étude présente une solution analytique au problème de localisation relative à six degrés de liberté basée sur des mesures d'angle. Cette solution est intégrée à des filtres probabilistes pour augmenter sa précision. En utilisant deux robots mutuellement observables possédant chacun deux marqueurs et une caméra colinéaires, nous pouvons retrouver les transformations qui expriment la pose du premier dans le référentiel du second. Notre technique se distingue du fait qu'elle nécessite uniquement la mesure de deux paires d'angles, au lieu d'un mélange de mesures d'angles et de distances. La précision des résultats est vérifiée par des simulations ainsi que par des expérimentations concrètes. Suite à des expérimentations à des distances variant entre 3:0 m et 15:0 m, nous montrons que la position relative est estimée avec moins de 0:5 % d'erreur et que l'erreur moyenne sur l'orientation relative est maintenue sous 2:2 deg. Une généralisation approximative est formulée et simulée pour le cas où la caméra de chaque robot n'est pas colinéaire avec les marqueurs de celui-ci. Au-delà de la précision des caméras, nous montrons qu'un filtre non parfumé de Kalman permet d'adoucir l'erreur sur les estimations de la position relative, et qu'un filtre étendu de Kalman basé sur les quaternions peut faire de même pour l'orientation relative. Cela rend notre solution particulièrement adaptée pour le déploiement de flottes de robots à six degrés de liberté comme des dirigeables. / When a team of robots have to collaborate, it is useful to allow them to localize each other in order to maintain flight formations, for example. The solution of cooperative localization is of particular importance to teams of aerial or underwater robots operating in areas devoid of landmarks. The problem becomes harder if the localization system must be low-cost and lightweight enough that only consumer-grade cameras can be used. This paper presents an analytical solution to the six degrees of freedom cooperative localization problem using bearing only measurements. Probabilistic filters are integrated to this solution to increase it's accuracy. Given two mutually observing robots, each one equipped with a camera and two markers, and given that they each take a picture at the same moment, we can recover the coordinate transformation that expresses the pose of one robot in the frame of reference of the other. The novelty of our approach is the use of two pairs of bearing measurements for the pose estimation instead of using both bearing and range measurements. The accuracy of the results is verified in extensive simulations and in experiments with real hardware. In experiments at distances between 3:0 m and 15:0 m, we show that the relative position is estimated with less than 0:5 % error and that the mean orientation error is kept below 2:2 deg. An approximate generalization is formulated and simulated for the case where each robot's camera is not colinear with the same robot's markers. Passed the precision limit of the cameras, we show that an unscented Kalman filter can soften the error on the relative position estimations, and that an quaternion-based extended Kalman filter can do the same to the error on the relative orientation estimations. This makes our solution particularly well suited for deployment on fleets of inexpensive robots moving in 6 DoF such as blimps.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2015-2016 / Nous abordons deux problèmes différents et complémentaires : le problème du chemin couvrant (ou CPP) et le problème du chemin de recherche optimal (ou OSP). Le CPP est un défi important en robotique mobile alors que l’OSP est un classique de la théorie de la recherche. Nous effectuons d’abord une revue de littérature qui souligne leurs différences et leurs similitudes du point de vue d’une opération de recherche. Le CPP et l’OSP sont comparés par rapport aux données connues sur la position d’un objet de recherche. Ensuite, nous formalisons une généralisation du problème CPP aux détections imparfaites et distantes nommée CPPIED. Nous présentons un algorithme heuristique efficace qui utilise à la fois la programmation dynamique et une réduction au problème du voyageur de commerce (TSP). Nous appliquons l’algorithme dans le contexte des opérations de déminage sous-marin sur des cartes qui contiennent plus de 21 000 cellules. Nous poursuivons par l’étude d’un nouveau modèle de programmation par contraintes (CP) pour l’OSP pour lequel nous proposons une amélioration de la définition de la fonction objectif. Cette nouvelle définition permet un filtrage plus fort des variables de probabilité prodiguant ainsi une amélioration des performances du modèle. Nous proposons, pour l’OSP, une nouvelle heuristique nommée « détection totale » (ou TD). Les résultats expérimentaux démontrent que notre modèle, utilisé avec l’heuristique TD, est compétitif avec des algorithmes de séparation et d’évaluation (ou branch-and-bound) spécifiques au problème de l’OSP (l’approche CP étant plus générale). Cette dernière observation supporte notre assertion que la CP est un bon outil pour résoudre des problèmes de la théorie de la recherche. Finalement, nous proposons la contrainte de transition de Markov (Mtc) en tant que nouvel outil de modélisation pour simplifier l’implémentation de modèles basés sur les chaînes de Markov. Nous démontrons, tant empiriquement que formellement, que l’arithmétique des intervalles est insuffisante pour l’atteinte de la cohérence de bornes, c’est-à-dire, pour filtrer les variables de probabilité de cette contrainte. Or, l’arithmétique des intervalles est l’outil utilisé par les solveurs CP pour filtrer une Mtc lorsque celle-ci est décomposée en contraintes arithmétiques individuelles. Nous proposons donc un algorithme basé sur la programmation linéaire qui atteint la cohérence de bornes. Du fait que la programmation linéaire est coûteuse en temps de calcul pour un solveur CP lorsqu’utilisée à chaque noeud de l’arbre de recherche, nous proposons aussi une approche intermédiaire basée sur le problème du sac à dos fractionnel. L’utilisation des Mtcs est illustrée sur l’OSP. / We tackle two different and complementary problems: the coverage path planning (CPP) and the optimal search path (OSP). The CPP is a main challenge in mobile robotics. The OSP is a classic from search theory. We first present a review of both problems that highlights their differences and their similarities from the point of view of search (coverage) operations. Both problems are positioned on the continuum of the a priori knowledge on the whereabouts of a search object. We then formalize an extension of the CPP we call the CPP with imperfect extended detections (CPPIED). We present a novel and powerful heuristic algorithm that uses dynamic programming and a traveling salesman (TSP) reduction. We apply the method to underwater minesweeping operations on maps with more than 21 thousand cells. We then study a novel constraint programming (CP) model to solve the OSP.We first improve on using the classical objective function found in the OSP definition. Our novel objective function, involving a single modification of the operators used to compute the probability of success of a search plan, leads to a stronger filtering of the probability variables of the model. Then, we propose a novel heuristic for the OSP: the total detection (TD) heuristic. Experiments show that our model, along with the proposed heuristic, is competitive with problem-specific branch-and-bounds supporting the claim that CP is a good technique to solve search theory problems. We finally propose the Markov transition constraint (Mtc) as a novel modeling tool in CP to simplify the implementation of models based on Markov chains. We prove, both empirically and theoretically, that interval arithmetic is insufficient to filter the probability variables of a single Mtc, i.e., to enforce bounds consistency on these variables. Interval arithmetic is the only available tool to filter an Mtc when it is decomposed into individual arithmetic constraints. We thus propose an algorithm based on linear programming which is proved to enforce bounds consistency. Since linear programming is computationally expensive to use at each node of the search tree of a CP solver, we propose an in-between solution based on a fractional knapsack filtering. The Mtc global constraint usage is illustrated on a CP model of the OSP.

Ce mémoire d'habilitation à diriger les recherches porte sur la perception et la compréhension conjointe de l'espace et du milieu par un robot cognitif autonome. Dans ce contexte, la démarche consiste ici à intégrer des percepts multiples et incertains à tous les niveaux de la perception à partir de capteurs visuels embarqués. Ces travaux se structurent en deux thèmes. Le premier thème se focalise sur la perception de l'espace pour la navigation autonome en milieu intérieur. Nos travaux antérieurs ont mis l'accent sur une méthodologie complète de détection, reconnaissance et localisation sur amers visuels validée par des expérimentations réelles sur le robot Diligent. Ces amers sont capturés automatiquement par le robot dans les différentes représentations métriques et topologiques de son environnement de travail. La navigation consiste alors à exploiter ces modèles pour se localiser métriquement ou qualitativement, sur la base de données visuelles, éventuellement télémétriques. À terme, ces représentations seront enrichies par des informations sémantiques capturées en interaction avec l'homme. Cet apprentissage supervisé, la perspective d'un robot sociable, nous ont amené à démarrer le second thème sur la perception par le robot de l'homme pour leur interaction. Nos travaux ont porté sur la détection, le suivi, la reconnaissance de l'homme par vision monoculaire couleur. Parmi ces fonctions, la problématique du suivi est centrale puisque la plupart des tâches robotiques coordonnées avec l'homme nécessite de caractériser la relation d'une plate-forme mobile aux agents humains a priori mobiles. Nous avons ainsi prototypé puis intégré plusieurs fonctions de suivi 2D ou 3D de tout ou partie des membres corporels de l'homme par le choix conjoint de stratégies de fusion de données visuelles et de filtrage particulaire répondant aux modalit és d'interaction envisagées pour le robot "guide" Rackham et le robot compagnon Jido. Les prospectives énoncées visent à l'interactio n de percepts relative à la perception simultanée par le robot de l'espace et/ou de l'homme. La problé- matique de l'intelligence ambiante, par l'ajout de robots anthropomorphes type humanoïde dans ces environnements humains, devrait infléchir ces travaux tout en recoupant certaines investigations passées ou actuelles.