Bio-inspired design of swarm robot systems swarm

La conception bio-inspirée des systèmes de robots en essaim

Khalil Aloui (1, 2)

1 ISAE-Supméca - ISAE-Supméca Institut Supérieur de Mécanique de Paris
2 QUARTZ - Laboratoire QUARTZ

Swarm robots are considered as complex mechatronic systems characterized by many independent components whose low-level actions produce collective high-level outcomes. Predicting high-level results (swarm system level) using low-level rules (independent robots level) is a major known and open challenge. Similarly, finding low-level rules that give specific high-level results is generally even less understood. Designers thus find it difficult to solve complex problems exploiting parallelism and self-organization. In this thesis, we have developed a design methodology based on the Model-Based Systems Engineering (MBSE) method to specify the requirements and collective behaviors of the swarms, then on the verification of the developed models and finally on the validation of the swarm system by physical prototyping with real robots using Robot Operating System (ROS). This methodology includes two phases: a top-down phase based on the MBSE method, from the requirements specification to the functional and structural modeling based on SysML and the domain specific language (DSL), and a bottom-up phase for the model integration and implementation in ROS. To validate our methodology, we applied it to three different case studies, a case of aggregation of a swarm robotic system, a case of design of an automated guided vehicle (AGV) system and finally a case of Multi-SLAM in an industrial environment.

Les robots en essaim sont considérés comme des systèmes mécatroniques complexes caractérisés par de nombreux composants indépendants dont les actions de bas niveau produisent des résultats collectifs de haut niveau. La prévision de résultats de haut niveau (niveau système en essaim) à l’aide de règles de bas niveau (niveau des robots indépendants) constitue un défi majeur connu et ouvert. De même, trouver des règles de bas niveau donnant des résultats spécifiques de haut niveau, est en général encore moins compris. Les concepteurs trouvent ainsi des difficultés pour résoudre des problèmes complexes exploitant le parallélisme et l’auto-organisation. Dans cette thèse, nous avons développé une méthodologie de conception basée sur la méthode d’ingénierie des systèmes basée sur des modèles (MBSE) pour spécifier les exigences et les comportements collectifs des essaims, puis sur la vérification des modèles développés et enfin sur la validation du système en essaim par prototypage physique avec des robots réels en utilisant Robot Operating System (ROS). Cette méthodologie comprend deux phases : une phase descendante basée sur la méthode MBSE, de la spécification des exigences à la modélisation fonctionnelle et structurelle basée sur SysML et le langage spécifique au domaine (DSL), et une phase ascendante pour l’intégration du modèle et l’implémentation dans ROS. Pour valider notre méthodologie, nous l’avons appliquée à trois études de cas différentes, un cas d’agrégation d’un système robotique en essaim, un cas de conception d’un système de véhicules guidés automatisés (AGV) et enfin un cas de Multi-SLAM dans un environnement industriel.

Mots clés: Swarm Robotics; MBSE Method; Design Methodology; Modeling with SysML/DSL; Aggregation

Mots clés: Robotique en essaim; Méthode MBSE; Méthodologie de conception; Robot Operating Systems (ROS); Modélisation avec SysML/DSL; Agrégation; Multi-SLAM

Domaines: Sciences de l'ingénieur [physics]; Informatique [cs]; Mathématiques [math]

Khalil Aloui. La conception bio-inspirée des systèmes de robots en essaim. Sciences de l'ingénieur [physics]. CY Cergy Paris Université., 2023. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04001443⟩