Hybrid simulation for the coordination of heterogeneous vehicles within a otilla
Simulation hybride pour la coordination de véhicules hétérogènes au sein d'une flottille
Résumé
If using a vehicle presents a demonstrated interest, the use of multiple robots potentially heterogeneous should improve the samples quality and the velocity with which they are acquired. The deployment of multi-sensor platforms makes the use of a flotilla coordinate control strategy necessary. The positioning and communicating difficulties immediately make the task fussy. Therefore, it is no more conceivable to deploy a flotilla without having first tested the feasibility of the mission, the logical and temporal behavior of the robot's controller, the employed algorithms' effectiveness and the functioning of all subsystems. This is especially true when the vehicles are heterogeneous, come from different organizations or institutions and are assembled aiming the fulfillment of a common mission.
The complexity of control architectures on the one hand and the difficulties raised by the choice of control strategies for multi-vehicle scenarios in the other hand, require the creation of new simulation tools in order to test and validate control laws and control architecture while detecting preliminary inconsistencies within the scenarios. The purpose of this thesis is the study of a collaborative simulation tool called Thetis.
This is a simulator uppermost designed to address issues related to the context of robots cooperation. It is able to cope with heterogeneous multi-vehicle scenarios within the robots can communicate with each other taking into account the propagation constraints (interferences, bandwidth, attenuation...) and the natural behavior of used communication devices (wake up time, conflict between reception/emission...). The architecture of this simulator is open to facilitate the integration and dissemination for all of the modeling work while promoting reusability and modularity of these models. The capacity of the proposed system to deal with Hardware-in-The-Loop simulations allows to test and to validate the logical and temporal behavior of the controllers. This simulator is also distributed on several calculating units linked on a dedicated network, to be able to extend dynamically the computing power. This feature is required to increasing the number of vehicles and / or the complexity of the models while respecting real-time constraint and temporal decoupling between the controller and the simulator.
Thetis is currently one of the few available tools able to cope with the constraints related to the context of marine robots in flotilla. Preliminary tests involving one AUV (Autonomous Underwater Vehicle) Taipan (developed at LIRMM in France) and one USV (Unmanned Surface Vehicle) Charlie (developed at ISSIA in Italy) on which are implemented two different control architectures are presented, while demonstrating the feasibility and validity of our approach.
The complexity of control architectures on the one hand and the difficulties raised by the choice of control strategies for multi-vehicle scenarios in the other hand, require the creation of new simulation tools in order to test and validate control laws and control architecture while detecting preliminary inconsistencies within the scenarios. The purpose of this thesis is the study of a collaborative simulation tool called Thetis.
This is a simulator uppermost designed to address issues related to the context of robots cooperation. It is able to cope with heterogeneous multi-vehicle scenarios within the robots can communicate with each other taking into account the propagation constraints (interferences, bandwidth, attenuation...) and the natural behavior of used communication devices (wake up time, conflict between reception/emission...). The architecture of this simulator is open to facilitate the integration and dissemination for all of the modeling work while promoting reusability and modularity of these models. The capacity of the proposed system to deal with Hardware-in-The-Loop simulations allows to test and to validate the logical and temporal behavior of the controllers. This simulator is also distributed on several calculating units linked on a dedicated network, to be able to extend dynamically the computing power. This feature is required to increasing the number of vehicles and / or the complexity of the models while respecting real-time constraint and temporal decoupling between the controller and the simulator.
Thetis is currently one of the few available tools able to cope with the constraints related to the context of marine robots in flotilla. Preliminary tests involving one AUV (Autonomous Underwater Vehicle) Taipan (developed at LIRMM in France) and one USV (Unmanned Surface Vehicle) Charlie (developed at ISSIA in Italy) on which are implemented two different control architectures are presented, while demonstrating the feasibility and validity of our approach.
Si l'utilisation d'un véhicule autonome présente un intérêt certain, l'utilisation simultanée de plusieurs robots, potentiellement différents permet d'améliorer la qualité des acquisitions et la rapidité avec lesquelles elles sont effectuées. Le déploiement de plateformes multi-capteurs sous-entend donc qu'il est nécessaire de mettre en œuvre une commande et une stratégie de commande coordonnée de la formation. Les difficultés de localisation et de communication rendent d'emblée la tâche difficile. Dès lors, il n'est plus concevable de mettre en œuvre une flottille d'engins autonomes sans avoir testé au préalable la faisabilité de la mission, le comportement logico-temporel du contrôleur des engins, l'efficacité des algorithmes employés et le bon fonctionnement de tous les sous-systèmes. Ceci est d'autant plus vrai lorsque les engins sont hétérogènes, proviennent d'organisations ou d'institutions différentes et sont rassemblés pour l'accomplissement d'une mission commune.
La complexité des architectures de contrôle d'une part et les difficultés soulevées par le choix de stratégies de contrôle multi-véhicules d'autre part, rendent nécessaires la création de nouveaux outils de simulation permettant de tester et valider lois de commande et architectures de contrôle tout en détectant les inconsistances préliminaires des scenarios envisagés. L'objet de cette thèse est donc l'étude d'un outil de simulation collaboratif appelé THETIS.
Il s'agit d'un simulateur conçu avant tout pour aborder les problèmes liés au contexte de la flottille. Il est multi-véhicules hétérogènes puisqu'il permet de simuler par exemple, un scenario dans lequel un AUV (Autonomous Underwater Vehicle) et un ASV (Autonomous Surface Vehicle) interviennent simultanément. Les véhicules peuvent communiquer entre eux au sein de la simulation et les contraintes liées au milieu de propagation (interférences, bande passante, atténuation...) d'une part et à l'utilisation de matériel spécifique (temps de réveil, conflit émission/réception...) d'autre part sont prises en compte. L'architecture du simulateur est ouverte pour faciliter l'intégration et la mise à disposition pour tous, du travail de modélisation des différentes équipes possédant des compétences propres, tout en favorisant la réutilisabilité et la modularité de ces modèles. La capacité du système proposé à réaliser des simulations Hardware-In-The-Loop permet de tester et valider le comportement temporel du contrôleur. Par ailleurs ce simulateur est distribué afin de pouvoir étendre dynamiquement la puissance de calcul nécessitée par l'augmentation du nombre de véhicules et/ou la complexification des modèles, tout en respectant les contraintes temps-réel et le découplage temporel entre la commande et l'évolution des modèles dynamiques.
THETIS est donc un des seuls outils à l'heure actuelle répondant aux contraintes liées au contexte de la simulation de robots marins en flottille. Nous présentons des tests préliminaires mettant en œuvre un AUV de classe Taipan (développée au LIRMM en France) d'une part et un ASV Charlie (développé par l'ISSIA en Italie) d'autre part qui possèdent des architectures de contrôle différentes, et démontrons ainsi la faisabilité et la validité de notre approche.
La complexité des architectures de contrôle d'une part et les difficultés soulevées par le choix de stratégies de contrôle multi-véhicules d'autre part, rendent nécessaires la création de nouveaux outils de simulation permettant de tester et valider lois de commande et architectures de contrôle tout en détectant les inconsistances préliminaires des scenarios envisagés. L'objet de cette thèse est donc l'étude d'un outil de simulation collaboratif appelé THETIS.
Il s'agit d'un simulateur conçu avant tout pour aborder les problèmes liés au contexte de la flottille. Il est multi-véhicules hétérogènes puisqu'il permet de simuler par exemple, un scenario dans lequel un AUV (Autonomous Underwater Vehicle) et un ASV (Autonomous Surface Vehicle) interviennent simultanément. Les véhicules peuvent communiquer entre eux au sein de la simulation et les contraintes liées au milieu de propagation (interférences, bande passante, atténuation...) d'une part et à l'utilisation de matériel spécifique (temps de réveil, conflit émission/réception...) d'autre part sont prises en compte. L'architecture du simulateur est ouverte pour faciliter l'intégration et la mise à disposition pour tous, du travail de modélisation des différentes équipes possédant des compétences propres, tout en favorisant la réutilisabilité et la modularité de ces modèles. La capacité du système proposé à réaliser des simulations Hardware-In-The-Loop permet de tester et valider le comportement temporel du contrôleur. Par ailleurs ce simulateur est distribué afin de pouvoir étendre dynamiquement la puissance de calcul nécessitée par l'augmentation du nombre de véhicules et/ou la complexification des modèles, tout en respectant les contraintes temps-réel et le découplage temporel entre la commande et l'évolution des modèles dynamiques.
THETIS est donc un des seuls outils à l'heure actuelle répondant aux contraintes liées au contexte de la simulation de robots marins en flottille. Nous présentons des tests préliminaires mettant en œuvre un AUV de classe Taipan (développée au LIRMM en France) d'une part et un ASV Charlie (développé par l'ISSIA en Italie) d'autre part qui possèdent des architectures de contrôle différentes, et démontrons ainsi la faisabilité et la validité de notre approche.