Contextual Management of Tasks for the control of an autonomous underwater vehicle
Gestion Contextuelle de Tâches pour le contrôle d'un véhicule sous-marin autonome
Résumé
The presented work belongs to the field of AUV (Autonomous Underwater Vehicle) control software architecture. The control of an AUV is based on a set of embedded computer resources and a set of sensors/actuators which can change according to the robot mission type (change of payload for instance). The robot should be comparable to a general-purpose vehicle adaptable to different tasks, and consequently evolving in accordance with the technological progress or the appearance of new challenging scientific applications.
Moreover, the need for autonomy in an environment in constant evolution and frequently unknown requires on behalf of the vehicle to be able, at every moment, to evaluate its state and the state of its environment, in order to make coherent decisions while executing the mission. The realization of such type of autonomous vehicle requires a methodology of design of its embedded software/hardware architecture.
Here, we present the software architecture developed at LIRMM for the AUV TAIPAN. This architecture is built respecting several criterions like modularity, evolutionarity and reusability.
The architecture is made up of independent components called "modules". Modules have a set of ports that permits data/control flows to be dynamically established between them. It is then possible to program the modules separately, to modify them and to test them before assembling them.
This proposed mixed architecture is organised on a hierarchical basis according to two levels: a decisional level containing a Global Supervisor and Locals Supervisors (one for each mode: autonomous, teleoperation, cooperation) and an Executive Level based on a scheduler and a set of modules.
A vocabulary based on three types of terms: objectives, sub-objectives, and modules is used within the architecture to express the intention (objectives), the system capacity (modules) and the way to achieve the intention thanks the robot capacity (sub-objectives).
The higher level, the global supervisor, is in charge of strategic mission management. Decisions related to the robotic tasks (objectives) to launch at a precise time and to mission planning are taken within this level. It decomposes the mission received from the operator into a sequence of objectives sent to the local supervisor. A local supervisor checks resources availability, reacts to events which require fast response (e.g. obstacle avoiding). It divides each objective in sub-objectives before sending them to the executive level. This executive level works in a periodical way. Several modules within this level are coordinated to configure sensors, to compute controls, to manage instrumentation conflicts. To ensure the respect of low level constraints (e.g. acoustical interfering sensors) a scheduler is in charge of low level modules activity management.
To illustrate main aspects of our approach, an application example is developed and tested on the AUV Taipan.
Moreover, the need for autonomy in an environment in constant evolution and frequently unknown requires on behalf of the vehicle to be able, at every moment, to evaluate its state and the state of its environment, in order to make coherent decisions while executing the mission. The realization of such type of autonomous vehicle requires a methodology of design of its embedded software/hardware architecture.
Here, we present the software architecture developed at LIRMM for the AUV TAIPAN. This architecture is built respecting several criterions like modularity, evolutionarity and reusability.
The architecture is made up of independent components called "modules". Modules have a set of ports that permits data/control flows to be dynamically established between them. It is then possible to program the modules separately, to modify them and to test them before assembling them.
This proposed mixed architecture is organised on a hierarchical basis according to two levels: a decisional level containing a Global Supervisor and Locals Supervisors (one for each mode: autonomous, teleoperation, cooperation) and an Executive Level based on a scheduler and a set of modules.
A vocabulary based on three types of terms: objectives, sub-objectives, and modules is used within the architecture to express the intention (objectives), the system capacity (modules) and the way to achieve the intention thanks the robot capacity (sub-objectives).
The higher level, the global supervisor, is in charge of strategic mission management. Decisions related to the robotic tasks (objectives) to launch at a precise time and to mission planning are taken within this level. It decomposes the mission received from the operator into a sequence of objectives sent to the local supervisor. A local supervisor checks resources availability, reacts to events which require fast response (e.g. obstacle avoiding). It divides each objective in sub-objectives before sending them to the executive level. This executive level works in a periodical way. Several modules within this level are coordinated to configure sensors, to compute controls, to manage instrumentation conflicts. To ensure the respect of low level constraints (e.g. acoustical interfering sensors) a scheduler is in charge of low level modules activity management.
To illustrate main aspects of our approach, an application example is developed and tested on the AUV Taipan.
Les travaux présentés s'inscrivent dans le cadre des architectures logicielles de contrôle des AUV (Autonomous Underwater Vehicle). La commande d'un AUV est basée sur un ensemble de ressources informatiques embarquées et un ensemble de capteurs/actionneurs qui peut changer selon le type de mission confiée au robot (modification de la charge utile). Le robot est comparable à un "porte charge" adaptable à différentes tâches et par conséquent évoluant au grés des progrès technologiques et de l'apparition de nouvelles applications scientifiques.
De plus, le besoin d'autonomie dans un environnement (milieu sous-marin) en constante évolution et souvent inconnu requiert de la part du véhicule d'être capable, à chaque moment, d'évaluer son état et l'état de son environnement afin de prendre les décisions cohérentes pour exécuter sa mission. La réalisation d'un tel véhicule autonome requiert une méthodologie de conception de son architecture logicielle/matérielle.
Ici, nous présentons l'architecture développée au LIRMM pour l'AUV Taipan. Cette architecture est construite en respectant certains critères tels que la modularité, l'évolutivité et la réutilisabilité.
L'architecture est construite à partir de composants indépendants appelés "modules". Ces modules possèdent un ensemble de ports entrée/sortie qui vont permettre l'établissement dynamique de flux de données/contrôle. Il est alors possible de programmer les modules séparément, de les modifier et de les tester avant de les assembler.
L'architecture mixte proposée repose sur deux niveaux hiérarchiques: un niveau décisionnel comprenant un Superviseur Global et des Superviseurs Locaux (un pour chaque mode: autonome, téléopération, coopération) et un niveau exécutif basé sur un ordonnanceur et des modules.
Un vocabulaire basé sur trois types de termes: les objectifs, les sous-objectifs et les modules est utilisé au sein de l'architecture pour exprimer l'intention (objectifs), les capacités du système (modules) et la manière dont les intentions vont être réalisées grâce aux capacités du robot (sous-objectifs).
Le plus haut niveau, le superviseur global, est en charge de la gestion de la mission à un niveau stratégique. Les décisions relatives aux tâches robotiques à lancer à des dates précises, la planification de ces tâches sont prises à ce niveau. Il décompose la mission reçue de l'opérateur en une séquence d'objectifs envoyés au superviseur local. Le superviseur local vérifie la disponibilité des ressources, réagit aux événements immédiats (e.g. évitement d'obstacle). Il subdivise chaque objectif en sous-objectifs avant de les envoyer au niveau exécutif. Le niveau exécutif fonctionne de manière périodique. Plusieurs modules dans ce niveau sont coordonnés pour configurer les capteurs, calculer les lois de commandes et gérer les conflits liés à l'instrumentation. Pour assurer le respect des contraintes bas niveau (e.g. capteurs acoustiques interférents) un ordonnanceur est en charge de gérer en ligne l'activité des modules bas niveau.
Pour illustrer les principaux aspects de notre approche, un exemple d'application a été développé et testé sur l'AUV Taipan.
De plus, le besoin d'autonomie dans un environnement (milieu sous-marin) en constante évolution et souvent inconnu requiert de la part du véhicule d'être capable, à chaque moment, d'évaluer son état et l'état de son environnement afin de prendre les décisions cohérentes pour exécuter sa mission. La réalisation d'un tel véhicule autonome requiert une méthodologie de conception de son architecture logicielle/matérielle.
Ici, nous présentons l'architecture développée au LIRMM pour l'AUV Taipan. Cette architecture est construite en respectant certains critères tels que la modularité, l'évolutivité et la réutilisabilité.
L'architecture est construite à partir de composants indépendants appelés "modules". Ces modules possèdent un ensemble de ports entrée/sortie qui vont permettre l'établissement dynamique de flux de données/contrôle. Il est alors possible de programmer les modules séparément, de les modifier et de les tester avant de les assembler.
L'architecture mixte proposée repose sur deux niveaux hiérarchiques: un niveau décisionnel comprenant un Superviseur Global et des Superviseurs Locaux (un pour chaque mode: autonome, téléopération, coopération) et un niveau exécutif basé sur un ordonnanceur et des modules.
Un vocabulaire basé sur trois types de termes: les objectifs, les sous-objectifs et les modules est utilisé au sein de l'architecture pour exprimer l'intention (objectifs), les capacités du système (modules) et la manière dont les intentions vont être réalisées grâce aux capacités du robot (sous-objectifs).
Le plus haut niveau, le superviseur global, est en charge de la gestion de la mission à un niveau stratégique. Les décisions relatives aux tâches robotiques à lancer à des dates précises, la planification de ces tâches sont prises à ce niveau. Il décompose la mission reçue de l'opérateur en une séquence d'objectifs envoyés au superviseur local. Le superviseur local vérifie la disponibilité des ressources, réagit aux événements immédiats (e.g. évitement d'obstacle). Il subdivise chaque objectif en sous-objectifs avant de les envoyer au niveau exécutif. Le niveau exécutif fonctionne de manière périodique. Plusieurs modules dans ce niveau sont coordonnés pour configurer les capteurs, calculer les lois de commandes et gérer les conflits liés à l'instrumentation. Pour assurer le respect des contraintes bas niveau (e.g. capteurs acoustiques interférents) un ordonnanceur est en charge de gérer en ligne l'activité des modules bas niveau.
Pour illustrer les principaux aspects de notre approche, un exemple d'application a été développé et testé sur l'AUV Taipan.