Diagnostic of mobiles networks, strategies for the diagnostic distribution as a function of the application constraints
Diagnostic en réseau de mobiles communicants, stratégies de répartition de diagnostic en fonction de contraintes de l'application
Résumé
In mobile robotics systems, the communication network is an important component of the overall system, it enables the system to accomplish its mission. Such a system is called Wireless Networked Control System WNCS where the integration of the wireless network into the control loop introduces problems that impact its performance and stability i.e, its quality of control (QoC). This QoC depends on the quality of service (QoS) therefore, the performance of the system depends on the parameters of the QoS. The study of the influence of wireless network defects on the QoC is crucial. WNCS is considered as a real-time system that requires a certain level of QoS for good performance. However, the probabilistic behavior of the CSMA / CA communication protocol used in most wireless technologies does not guarantee real-time constraints. A probabilistic method is then needed to analyze and define the application requirements in terms of QoS: delay, jitter, rate, packet loss. A first contribution of this thesis is to study the performance and reliability of an IEEE 802.11 wireless network for WNCSs that share the same network and the same control server by developing a stochastic model. This model is a Markov chain that models the access procedure to the communication channel. This model is used to define the QoS parameters that can guarantee the good QoC. In this thesis, we apply our approach to a mobile robot controlled by a remote station. The mobile robot aims to reach a target by avoiding obstacles, a classic example of mobile robotics applications. To ensure that its mission is accomplished, a probabilistic diagnostic method is essential because the system behavior is not deterministic. The second contribution of this thesis is to establish the probabilistic method used to monitor the robot mission and state. It is a modular Bayesian network BN that models cause-and-effect dependency relationships between failures that have an impact on the system QoC. The QoC degradation may be due either to a problem related to the internal state of the robot, a QoS problem or a controller problem. The results of the Markov model analysis are used in the modular BN to define its variables states (qualitative study) and to define the conditional probabilities of the QoS (quantitative study). It is an approach that permits to avoid the QoC degradation by making the right decision that ensures the continuity of the mission. In a co-design approach, when the BN detects a degradation of the QoC due to a bad QoS, the station sends an order to the robot to change its operation mode or to switch to another distant controller. Our hypothesis is that the diagnostic architecture depends on the operation mode. A distributed BN is used when the robot is connected to the station and a monolithic embedded BN when it is autonomous. Switching from a distributed controller to an on-board one involves updating the developed BN. Another contribution of this thesis consists in defining a switching strategy between the diagnostic modes: switching from a distributed BN to an on-board monolithic BN when the communication network takes no longer part of the system architecture and vice versa -versa. The inference and diagnostic scenarii results show the relevance of using distributed modular BNs. They also prove the ability of the developed BN to detect the degradation of QoC and QoS and to supervise the state of the robot. The modular structure of the BN facilitates the reconfiguration of the diagnostic policy according to the adapted control and communication architecture (distributed BN or on-board monolithic RB).
Dans la robotique mobile, le réseau de communication est un composant important du système global pour que le système accomplisse sa mission. Dans un tel type de système, appelé un système commandé en réseau sans fil (SCR sans fil ou WNCS), l’intégration du réseau sans fil dans la boucle de commande introduit des problèmes qui ont un impact sur la performance et la stabilité i.e, sur la qualité de commande (QoC). Cette QoC dépend alors de la qualité de service (QoS) et la performance du système va donc dépendre des paramètres de la QoS. C’est ainsi que l’étude de l’influence des défauts du réseau sans fil sur la QoC est cruciale. Le WNCS est un système temps réel qui a besoin d’un certain niveau de QoS pour une bonne performance. Cependant, la nature probabiliste du protocole de communication CSMA/CA utilisé dans la plupart des technologies sans fil ne garantit pas les contraintes temps réel. Il faut alors une méthode probabiliste pour analyser et définir les exigences de l’application en termes de QoS, c’est-à-dire en termes de délai, de gigue, de débit, et de perte de paquets. Une première contribution de cette thèse consiste à étudier les performances et la fiabilité d’un réseau sans fil IEEE 802.11 pour des WNCSs qui partagent le même réseau et le même serveur de commandes en développant un modèle stochastique. Ce modèle est une chaîne de Markov qui modélise la méthode d’accès au canal de communication. Ce modèle a servi pour définir les paramètres de la QoS qui peuvent garantir une bonne QoC. Nous appliquons notre approche à un robot mobile commandé par une station distante. Le robot mobile a pour mission d’atteindre une cible en évitant les obstacles. Pour garantir l’accomplissement de cette mission, une méthode de diagnostic probabiliste est primordiale puisque le comportement du système n’est pas déterministe. La deuxième contribution a été d’établir la méthode probabiliste qui sert à surveiller le bon déroulement de la mission et l’état du robot. C’est un réseau bayésien (RB) modulaire qui modélise les relations de dépendance cause-à-effet entre les défaillances qui ont un impact sur la QoC du système. La dégradation de la QoC peut être due soit à un problème lié à l’état interne du robot, soit à un problème lié à la QoS, soit à un problème lié au contrôleur lui-même. Les résultats du modèle markovien sont utilisés dans le RB modulaire pour définir l'espace d'état de ses variables (étude qualitative) et pour définir les probabilités conditionnelles de l'état de la QoS (étude quantitative). Le RB permet d’éviter la dégradation de la QoC en prenant la bonne décision qui assure la continuité de la mission. En effet, dans une approche de co-design, quand le RB détecte une dégradation de la QoC due à une mauvaise QoS, la station envoie un ordre au robot pour qu'il change son mode de fonctionnement ou qu'il commute sur un autre contrôleur débarqué. Notre hypothèse est que l’architecture de diagnostic est différente en fonction des modes de fonctionnement : nous optons pour un RB plus global et partagé lorsque le robot est connecté à la station et pour RB interne au robot lorsqu’il est autonome. La commutation d’un mode de fonctionnement débarqué à un mode embarqué implique la mise à jour du RB. Un autre apport de cette thèse est la définition d’une stratégie de commutation entre les modes de diagnostic : commutation d’un RB distribué à un RB monolithique embarqué quand le réseau de communication ne fait plus partie de l'architecture du système et vice-versa. Les résultats d’inférence et de scénario de diagnostic ont montré la pertinence de l’utilisation des RBs distribués modulaires. Ils ont aussi montré la capacité du RB développé à détecter la dégradation de la QoC et de la QoS et à superviser l’état du robot. L’aspect modulaire du RB a permis de faciliter la reconfiguration de l’outil de diagnostic selon l’architecture de commande ou de communication adaptée (RB distribué ou RB monolithique embarqué).
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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