Le résumé en français n'a pas été communiqué par l'auteur. / Le résumé en anglais n'a pas été communiqué par l'auteur.

Un robot humanoïde est un système polyarticulé complexe dont la cinématique et la dynamique sont gouvernées par des équations non linéaires. Trouver des postures viables qui minimisent une tâche objectif tout en satisfaisant un ensemble de contraintes (intrinsèques ou extrinsèques) est un problème central pour la planification de mouvement robotique et est une fonctionnalité importante de tout logiciel de robotique. Le générateur de posture (PG) a pour rôle de trouver une posture viable en formulant puis résolvant un problème d’optimisation non linéaire. Nous étendons l’état de l’art en proposant de nouvelles formulations et méthodes de résolution de problèmes de génération de postures. Nous enrichissons la formulation de contraintes de contact par ajout de variables au problème d’optimisation, ce qui permet au solveur de décider automatiquement de la zone d’intersection entre deux polygones en contact ou encore de décider du lieu de contact sur une surface non plane. Nous présentons une reformulation du PG qui gère nativement les variétés non Euclidiennes et nous permet de formuler des problèmes mathématiques plus élégants et efficaces. Pour résoudre de tels problèmes, nous avons développé un solveur non linéaire par SQP qui supporte nativement les variables sur variétés. Ainsi, nous avons une meilleure maîtrise de notre solveur et pouvons le spécialiser pour la résolution de problèmes de robotique. / Humanoid robots are complex poly-articulated structures whose kinematics and dynamics are governed by nonlinear equations. Finding viable postures to realize set-point task objectives under a set of constraints (intrinsic and extrinsic limitations) is a key issue in the planning of robot motion and an important feature of any robotics framework. It is handled by the so called posture generator (PG) that consists in formalizing the viable posture as the solution to a nonlinear optimization problem. We present several extensions to the state-of-the-art by exploring new formulations and resolution methods for the posture generation problems. We reformulate the notion of contact constraints by adding variables to enrich our optimization problem and allow the solver to decide on the shape of the intersection of contact polygons or of the location of a contact point on a non-flat surface. We present a reformulation of the PG problem that encompasses non-Euclidean manifolds natively for a more elegant and efficient mathematical formulation of the problems. To solve such problems, we decided to implement a new SQP solver that is most suited to non-Euclidean manifolds structural objects. By doing so, we have a better mastering in the way to tune and specialize our solver for robotics problems.

L’objectif de ce travail est de permettre à une équipe de robots autonomeshétérogènes d’effectuer une mission complexe dans un environnement réel et sous contraintede communication. Cette thèse a donc consisté à créer et à valider une architecturedistribuée à bord des robots et intégrant planification, supervision de l’exécution du planet réparation de ce plan suite à l’occurrence d’aléas. Ce manuscrit présente la conceptiond’un algorithme de planification hybride, dénommé HiPOP, utilisé pour calculer un planinitial, avant le début de la mission, et pour réparer le plan en cours de mission quandun événement perturbateur survient. Il présente aussi la conception d’un algorithme desupervision, dénommé METAL, utilisé pour suivre l’exécution du plan sur chaque robot et,le cas échéant, faisant appel à HiPOP pour réparer le plan. Ces deux algorithmes ont étéimplémentés et ont permis de réaliser des missions de surveillance allant jusqu’à impliquer12 robots, à la fois en simulation et avec de vrais robots. / The goal of this work is to enable a team of heterogeneous autonomous robotsto perform a complex mission in a real environment with communication constraints. Thisapproach was therefore to create and validate a distributed embedded architecture ableto plan, to monitor the execution of a plan and to repair a plan when an unexpectedevent occurs. This document shows the conception of an hybrid planning algorithm, namedHiPOP, used to compute initial plans before the beginning of the mission and to repair theplan during the mission when something unexpected happens. It also shows the conceptionof a monitoring algorithm, named METAL, used to monitor the execution of the planon each robot and, when needed, which calls HiPOP to repair the plan. Both algorithmswere implemented and used to carry out surveillance missions up to 12 robots, both insimulation and in a real life scenario.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la planification de tâches en intelligence artificielle. Après avoir introduit le domaine et les principaux algorithmes de planification dans le cadre classique, nous présentons un état de l'art de la planification SAT. Nous analysons en détail cette approche qui permet de bénéficier directement des améliorations apportées régulièrement aux solveurs SAT. Nous proposons de nouveaux codages qui intègrent une stratégie de moindre engagement en retardant le plus possible l'ordonnancement des actions. Nous présentons ensuite le système TSP que nous avons implémenté pour comparer équitablement les différents codages puis nous détaillons les résultats de nombreux tests expérimentaux qui démontrent la supériorité de nos codages par rapport aux codages existants. Nous présentons ensuite un état de l'art de la planification temporelle en analysant les algorithmes et l'expressivité de leurs langages de représentation. La très grande majorité de ces planificateurs ne permet pas de résoudre des problèmes réels pour lesquels la concurrence des actions est nécessaire. Nous détaillons alors les deux approches originales de notre système TLP-GP permettant de résoudre ce type de problèmes. Ces approches sont comparables à la planification SAT, une grande partie du travail de recherche étant déléguée à un solveur SMT. Nous proposons ensuite des extensions du langage de planification PDDL qui permettent une certaine prise en compte de l'incertitude, du choix, ou des transitions continues. Nous montrons enfin, grâce à une étude expérimentale, que nos algorithmes permettent de résoudre des problèmes réels nécessitant de nombreuses actions concurrentes.

Un des challenges actuels de la planification est la résolution de problèmes pour lesquels on cherche à optimiser la qualité d'une solution telle que le coût d'un plan-solution. Dans cette thèse, nous développons une méthode originale pour la planification de coût optimal dans un cadre classique non temporel et avec des actions valuées.<br /><br />Pour cela, nous utilisons une structure de longueur fixée appelée graphe de planification. L'extraction d'une solution optimale, à partir de ce graphe, est codée comme un problème de satisfaction de contraintes pondérées (WCSP). La structure spécifique des WCSP obtenus permet aux solveurs actuels de trouver, pour une longueur donnée, une solution optimale dans un graphe de planification contenant plusieurs centaines de nœuds. <br /><br />Nous présentons ensuite plusieurs méthodes pour déterminer la longueur maximale des graphes de planification nécessaire pour garantir l'obtention d'une solution de coût optimal. Ces méthodes incluent plusieurs notions universelles comme par exemple la notion d'ensembles d'actions indispensables pour lesquels toutes les solutions contiennent au moins une action de l'ensemble. <br /><br />Les résultats expérimentaux effectués montrent que l'utilisation de ces méthodes permet une diminution de 60% en moyenne de la longueur requise pour garantir l'obtention d'une solution de coût optimal. La comparaison expérimentale avec d'autres planificateurs montre que l'utilisation du graphe de planification et des CSP pondérés pour la planification optimale est possible en pratique même si elle n'est pas compétitive, en terme de temps de calcul, avec les planificateurs optimaux récents.

Le probleme aborde dans ce mémoire est celui de la planification des mouvements d'un mobile a soumis a des contraintes cinématiques et dynamiques et se déplaçant dans un espace de travail dynamique w. Ce mémoire défend la thèse selon laquelle le probleme considère, connu pour être complexe, peut entre résolu de façon efficace lorsqu'il existe une structuration de w naturelle pour a, i.e. Lorsqu'il est possible de structurer w en un ensemble de zones libres a l'intérieur desquelles a peut se déplacer. Dans ce cas, le probleme peut être aborde suivant deux directions complémentaires: 1) la planification de chemin qui prend en compte les contraintes cinématiques de a et les obstacles fixes de w, et; 2) la planification de trajectoire qui prend en compte les contraintes dynamiques de a et les obstacles mobiles de w. Ce mémoire traite le cas d'une voiture dans le réseau routier. Les zones libres sont alors définies par les voies de circulation. A est soumis a une contrainte cinématique non-holonome qui l'oblige a se déplacer dans une direction perpendiculaire a l'axe de ses roues. De plus, le rayon de braquage, l'accélération et la vitesse de a sont limites. Nous commençons par présenter deux techniques de resolution propres a chacune des deux planifications mentionnées ci-dessus et bien adaptées au contexte dans lequel nous nous plaçons. Puis, nous montrons comment intégrer ces deux techniques au sein d'un système de planification de mouvement qui permet de résoudre efficacement le probleme considéré

Permettre à plusieurs agents de planifier et de coordonner leurs activités de manière distribuée tel est l'objectif des travaux présentés dans ce mémoire. L'approche proposée s'appuie sur des opérateurs de composition de plans. Afin de gérer au mieux les interactions entre différents agents, leurs plans sont produits par IxTeT, un système de planification permettant la prise en compte de contraintes temporelles numériques et gérant le parallélisme des tâches ainsi que le partage de ressources. Les deux premiers chapitres décrivent le formalisme logique utilisé par IxTeT ainsi que le fonctionnement du planificateur lui-même et les améliorations qu'il est possible d'y apporter. Le troisième chapitre détaille alors formellement les méthodes et algorithmes permettant de réaliser des opérateurs de composition de plans: union de plans, insertion de nouveaux buts dans un plan existant. On y démontre leurs limites théoriques. Le quatrième chapitre décrit la mise en œuvre de ces opérateurs en exhibant des algorithmes tant pour améliorer les performances de la planification incrémentale mono-agent que pour réaliser un système distribué de planification multi-agents. Dans ce système, un plan global est élaboré par composition successive de plans individuels. Ce plan global reste implicite et n'est donc jamais centralisé. On présente ensuite les problèmes spécifiques rencontrés lorsque planification et exécution sont réalisées simultanément. Ces problèmes ouverts sont cruciaux dans un contexte multi-agents. Le document se termine par une illustration et une évaluation sur des exemples appliqués au domaine multi-robots permettant d'apprécier les avantages mais aussi les limites de l'utilisation de ces opérateurs de composition de plans et par une comparaison avec un autre système de planification distribuée.

Thèse de doctorat : Sciences de gestion : Université Nancy 2 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre.

No description available.

La problématique traitée dans cette thèse concerne la commande et l'équilibre des robots humanoïdes disposant d'une base mobile à roues omnidirectionnelles. Les méthodes développées visent à atteindre de hautes performances dynamiques pour ce type de robot, tout en assurant stabilité et équilibre. Les robots humanoïdes ont en général un centre de masse relativement haut en comparaison avec leur surface de contact avec le sol. Ainsi, la moindre accélération des corps du robot induit une large variation de la répartition des forces de contact avec le sol. Si celles-ci ne sont pas correctement contrôlées, alors le robot peut tomber. De plus, le robot disposant d'une base mobile à roues, une perturbation peut l'amener aisément à basculer sur deux roues. Enfin, un intérêt particulier a été apporté à la réalisation d'une commande temps-réel implémentée sur le système embarqué du robot. Cela implique principalement des contraintes concernant le temps de calcul de la loi de commande. Afin de répondre à ces problèmes, deux modèles linéaires du robot ont été réalisés. Le premier permet de modéliser la dynamique du robot lorsque celui-ci possède toutes ses roues en contact avec le sol. Le second permet de modéliser la dynamique du robot lorsque celui-ci bascule sur deux de ses roues. Ces modèles ont été réalisés en prenant en compte la répartition massique du robot. Ainsi, il a été judicieux de le modéliser comme un système à deux masses ponctuelles, pouvant se déplacer sur un plan parallèle au sol. La première correspond au centre de masse de la base mobile, la seconde à celui du reste du robot. Ces modèles sont ensuite utilisés au sein de deux commandes prédictives, permettant de prendre en compte à chaque instant les contraintes dynamiques ainsi que le comportement du robot dans le futur. La première commande permet de contrôler les déplacements du robot lorsque celui-ci possède toutes ses roues en contact avec le sol, lui assurant de ne pas basculer. La seconde permet au robot de se rattraper d'une situation où une perturbation l'amène à basculer, afin de ramener toutes ses roues en contact avec le sol. Aussi, un superviseur disposant d'une machine à état à été réalisé afin de définir quelle loi de commande doit être exécutée à chaque instant. Ce superviseur utilise les capteurs disponibles sur le robot afin d'observer son état de basculement. Enfin, afin de valider expérimentalement le résultat des développements de cette thèse, une série d'expériences a été présentée, mettant en évidence les différents aspects de la loi de commande. Notamment, des essais ont été réalisés concernant le suivi de trajectoires non physiquement réalisables, le rejet de perturbations appliqués à la base mobile, la stabilisation du robot lors de son basculement, ainsi que la compensation de variations de l'inclinaison du sol. / The problem of this thesis concerns the control of the movements and the equilibrium of humanoid robots that have a mobile base with omnidirectionnal wheels. The developed methods aim to reach high dynamical performances for this type of robot, while ensuring it stability and equilibrium. Humanoid robots have generally a center of mass relatively high compared to its contact surface with the ground. Therefore, the slightest acceleration of the robot bodies induces a large variation of the distribution of the contact forces with the ground. If they are not properly controlled, the robot can fall. Moreover, the robot having a mobile base with wheels, a disturbance can easily bring it to tilt on two wheels. Finally, a specific interest have been provided about the realisation of a real time controler implemented on the embedded system of the robot. This implies some constraints about the computationnal time of the control law. In order to answer these problems, two linear models of the robot have been developed. The first allows to modelize the dynamics of the robot when it has all of its wheels in contact with the ground. The second allows to modelize the dynamics of the robot when it tilts on two of its wheels. These models have been developed by taking into account the mass distribution of the robot. These models have been subsequently used in two predictive control laws, allowing to take into account at every instant the dynamical constraints as weel as the future behavior of the robot. The first allows to control the movements of the robot when it has all of its wheels in contact with the ground, preventing it for tilting. The second allows the robot to recover itself in a situation when a disturbance bring it to tilt, in order to bring back all of its wheels in contact with the ground. Also, a supervisor that has a state machine has been made in order to define which control law has to be executed at each instant. This supervisor uses the available sensors on the robot in order to observe its tilt state. Finally, in order to validate experimentally the results of the developments of this thesis, a series of experiments has been presented, demonstrating some aspects of the control law. In particular, some tests have been made concerning the tracking of non physically feasible trajectories, the reject of disturbances applied on the mobile base, the stabilisation of the robot during its tilt, and the compensation of the variations of the ground inclination.