Deux robots coopèrent entre eux (ONERA)

Comment faire coopérer des robots autonomes

Dossier : Les dronesMagazine N°718 Octobre 2016
Par Patrick BECHON
Par Magali BARBIER
Par Charles LESIRE

Un drone est un sys­tème autonome s’il maîtrise trois fonctions : 

 le diag­nos­tic de son bon état de fonctionnement
 la maîtrise de sa nav­i­ga­tion autonome
 la maîtrise de sa mis­sion autonome 

On peut envis­ager ensuite de faire tra­vailler simul­tané­ment plusieurs appareils s’ls savent com­mu­ni­quer entre eux. 

Pour qu’un drone soit un sys­tème autonome, il doit maîtris­er trois aspects. 

  • Le pre­mier aspect est la maîtrise de son fonc­tion­nement interne, de son état. Ain­si, le véhicule doit être capa­ble de diag­nos­ti­quer les pannes de ses pro­pres com­posants et de déter­min­er s’il peut encore appli­quer cor­recte­ment les con­signes qu’il reçoit. 
  • Le deux­ième aspect est la maîtrise de la nav­i­ga­tion autonome, c’est-à-dire des déplace­ments du véhicule dans son envi­ron­nement. Par exem­ple, la capac­ité pour le véhicule de pou­voir rejoin­dre un point de pas­sage en ten­ant compte des obsta­cles comme des bâti­ments et de l’absence pos­si­ble de don­nées GPS masquées par ces bâtiments. 
  • Quand cette nav­i­ga­tion est maîtrisée, on peut deman­der au véhicule de réalis­er une mis­sion par lui-même, par exem­ple pour la plan­i­fi­ca­tion d’une patrouille pour sur­veiller une zone. Ce troisième aspect est la maîtrise de la mis­sion autonome. 

Quand les com­mu­ni­ca­tions le per­me­t­tent, cer­taines fonc­tion­nal­ités peu­vent être déportées dans un cen­tre d’opérations.

REPÈRES

Les capacités individuelles des drones progressent rapidement. Néanmoins, pour pouvoir leur confier des missions plus complexes dans un environnement contraint où les communications peuvent être difficiles et où la téléopération par un pilote n’est pas envisageable dans de bonnes conditions, la coopération entre robots hétérogènes offrant des capacités complémentaires est nécessaire. Cette coopération demande davantage d’autonomie dans l’équipe de robots.

EXPLOITER LES COMPLÉMENTARITÉS ENTRE ROBOTS

Au niveau « mul­tidrone », une mis­sion de sur­veil­lance par exem­ple peut exploiter les drones aériens pour la sur­veil­lance de larges zones, tan­dis que des robots ter­restres sont chargés d’explorer les bâti­ments et les zones cou­vertes par la végétation. 

“ La coopération entre drones aériens et sous-marins permet de rechercher plus efficacement une épave ”

Une coopéra­tion entre drones aériens et sous-marins per­met de rechercher plus effi­cace­ment une épave de bateau relâchant le con­tenu de son réser­voir en mer. 

Les drones aériens peu­vent ain­si détecter des éma­na­tions d’hydrocarbures en sur­veil­lant une large zone pour guider plus pré­cisé­ment les drones sous-marins vers l’épave échouée. Ces mis­sions tirent par­ti de la com­plé­men­tar­ité entre les dif­férents robots, qui per­met aus­si de résis­ter à la perte d’un robot. 

Mais elles intro­duisent aus­si de nou­velles con­traintes, notam­ment liées à la com­mu­ni­ca­tion néces­saire pour un tra­vail d’équipe.

DES CHAMPS DE RECHERCHE ÉTENDUS

SYSTÈME AUTONOME

Un système autonome est défini par sa capacité à réaliser une mission, seul ou en équipe, avec des contacts limités avec les opérateurs présents dans le centre d’opérations. Les opérateurs peuvent être amenés à prendre certaines décisions.

Ces mis­sions font l’objet de nom­breuses recherch­es, comme c’est le cas à l’ONERA, sur les fonc­tions d’autonomie indi­vidu­elle (nav­i­ga­tion en envi­ron­nement sans GPS, recon­fig­u­ra­tion suite à une panne), de fusion des don­nées (inté­gra­tion des don­nées en prove­nance des dif­férents cap­teurs), de plan­i­fi­ca­tion (cal­cul de plans d’action pour l’équipe hors ligne avant le début de la mis­sion et en ligne pen­dant la mis­sion lorsqu’un événe­ment per­tur­ba­teur empêche sa réal­i­sa­tion) et de super­vi­sion (con­trôle en ligne de l’exécution cor­recte des actions du plan et ges­tion de la réac­tion aux événe­ments perturbateurs). 


Une archi­tec­ture logi­cielle mul­tidrone per­met de faire coopér­er plusieurs véhicules autonomes pour la réal­i­sa­tion de leur mission.

UN PROGRAMME MULTIDRONE

L’objectif du programme d’études amont Action (2007–2015) est de développer et d’implémenter sur des véhicules hétérogènes autonomes une architecture logicielle multidrone permettant de les faire coopérer pour la réalisation de leur mission. Des démonstrations impliquant jusqu’à huit robots réels et quatre robots simulés pour faire de la surveillance de zone ont été réalisées. Ce programme, financé par la DGA, a été réalisé par l’ONERA et par le CNRS-LAAS.

COMMUNICATIONS NON GARANTIES

Pour être capa­bles de coopér­er, les robots doivent pou­voir com­mu­ni­quer ensem­ble. Dans des envi­ron­nements éten­dus ou sur­chargés, ces com­mu­ni­ca­tions ne sont pas garanties. L’équipe doit donc pou­voir gér­er ces com­mu­ni­ca­tions incertaines. 

Cer­taines des approches pro­posées veu­lent main­tenir la com­mu­ni­ca­tion en per­ma­nence entre tous ses membres. 

Cer­tains robots sont alors chargés de servir de relais de com­mu­ni­ca­tion pour per­me­t­tre aux autres de se con­cen­tr­er sur la mis­sion à accomplir. 

Cela per­met par exem­ple d’assurer la dif­fu­sion d’un flux vidéo depuis un robot très éloigné du cen­tre de super­vi­sion même en l’absence de com­mu­ni­ca­tion directe (par exem­ple le pro­jet Anchors). 

PLUS D’AUTONOMIE

Une autre approche con­siste à pour­suiv­re la mis­sion même en l’absence de com­mu­ni­ca­tion. Cela néces­site une autonomie plus impor­tante de la part de chaque robot, qui peut se retrou­ver isolé du reste de l’équipe tout en devant con­tin­uer d’assurer la mis­sion (par exem­ple le pro­jet Action). 

C’est aus­si le cas des mis­sions sous-marines où les com­mu­ni­ca­tions entre les robots sont lim­itées par le sup­port acous­tique (par exem­ple le pro­jet Swarms). 

“ Donner à l’équipe la capacité de décider en ligne des réactions aux changements ”

Un autre chal­lenge en robo­t­ique autonome con­cerne l’autonomie sur le long terme. Cela implique, pour un robot, d’être capa­ble de se recharg­er automa­tique­ment pour réalis­er des mis­sions allant au-delà de son autonomie énergétique. 

Cela sig­ni­fie aus­si être capa­ble de recon­naître des change­ments qui trans­for­ment l’environnement et changent ce que les cap­teurs perçoivent du même envi­ron­nement : le pas­sage jour-nuit, le brouil­lard, la tombée de la neige, la chute des feuilles en automne, etc. 

Au niveau des capac­ités de l’équipe, il devient néces­saire de ne plus tout prévoir dès le début de mis­sion mais de savoir met­tre le plan à jour régulièrement. 

NOUVELLES PERSPECTIVES

La coopéra­tion entre drones hétérogènes per­met non seule­ment de tir­er avan­tage des capac­ités intrin­sèques de chaque robot, mais aus­si d’implémenter des straté­gies qui aug­mentent leurs capac­ités cumulées. Il devient alors pos­si­ble de réalis­er des mis­sions com­plex­es qu’un seul robot ne pour­rait men­er à bien. 

Les recherch­es doivent se pour­suiv­re pour amélior­er cette coopéra­tion qu’on ne trou­ve qu’en lab­o­ra­toire ; par exem­ple, le pro­jet Action a per­mis de tester les développe­ments sci­en­tifiques dans un envi­ron­nement représen­tatif. Les nom­breuses thès­es sur le sujet mon­trent l’intérêt de cette autonomie. 

Dans ces recherch­es, le pre­mier défi est d’embarquer sur les drones des capac­ités de mis­sion autonome leur per­me­t­tant de s’entraider pour la réal­i­sa­tion de la mission. 

Dans un con­texte réel, des événe­ments vont régulière­ment per­turber le déroule­ment de la mis­sion. Le deux­ième défi est alors de don­ner à l’équipe la capac­ité de décider en ligne des réac­tions à ces changements. 

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