Opération au titre de l’année : 2016
Titre : Robotique 3D / Commande Coopérative tolérante aux défauts/défaillances pour une Flotte de Véhicules Aériens sans Pilote
Site(s) : LORIA, CRAN
Porteur(s) : Jean-Christophe Ponsart (PR, Université de Lorraine, CRAN) et Laurent Ciarletta (MCF, Université de Lorraine, LORIA)
Financement : 90 k€
Description du projet
Ce projet de recherche est au coeur d’une collaboration scientifique entre le CRAN et le LORIA pour développer une plateforme expérimentale cyber-physique consacrée à l’analyse et la synthèse de commande coopérative sûr de fonctionnement entre des véhicules aériens sans pilote (type « drone »), avec ou sans leader, en présence de défauts/défaillances capteurs, actionneurs, calculateurs, ou encore des communications, pour des véhicules en outdoor (environnement extérieur).
Des travaux de recherches appliqués aux véhicules sans pilotes en INDOOR de type quadrirotor ont déjà été développés en s’intéressant au suivi de trajectoire et redéfinition du suivi de trajectoire en présence de défaut/défaillance, de même que des méthodes de reconfiguration en présence de blocage d’actionneurs sur des drones hélicoptère. Ces travaux ont été développés en collaboration avec l’Université Concordia de Montréal (Canada) et l’Institut d’Automation de Shenyang (Chine) et ont été mis en oeuvre sur plate-forme réelle et s’inscrivent parfaitement dans les préoccupations actuelles de la communauté internationale des Sciences et Technologies Appliquées.
Le vol en flotte autonome de plusieurs véhicules aériens intégrant les problématiques de tolérance aux fautes (composants matériels, calculateurs, communications) est à ce jour peu développé en outdoor. Les différentes configurations possibles avec ou sans leader requièrent l’obligation de communications entre les véhicules affectés par un environnement hostile (bruit ambiant) et des algorithmes de commande optimaux conduits par des approches par consensus ou PSO (Particle Swarm Optimization). De plus, les incertitudes de mesure inhérentes à une évolution en outdoor apportent un défi supplémentaire.
Nous considérons que l’interaction entre capteurs, entre capteurs et véhicules ou entre véhicules reposent sur une architecture de communication qui doit assurer une qualité de service en termes de performances et de sûreté de fonctionnement. De manière globale, la tolérance du système reposera sur la capacité à faire face aux multiples défauts/défaillances à la fois des composants des entités mobiles (actionneurs, capteurs), des éléments de communications entre les entités mobiles, et des calculateurs, mais également aux problèmes de communications en présence de perturbations extérieures et/ou d’environnement hostile.
La réussite de ce projet repose sur des travaux pluridisciplinaires combinant des recherches en automatique (stabilité et robustesse du contrôle d’un véhicule), recherches en informatique des systèmes et réseaux (robustesse et garantie de qualité de service des architectures de communication) et des recherches en approches coopératives et calculs distribués. Les contributeurs impliqués dans ce projet sont issus de deux laboratoires :
– le CRAN (Centre de Recherche en Automatique de Nancy)
– le LORIA (Laboratoire de Recherche en Informatique et ses Applications)
Les résultats escomptés sont un démonstrateur de simulations et de systèmes réels en OUTDOOR.
L’objectif est de fournir une plateforme de co-développement et de co-simulation, c’est-à-dire de permettre de mener des expériences à la fois en utilisant les modèles développés par les diverses équipes en simulation et sur les systèmes réels. En partant d’environnements et d’éléments entièrement simulés et étudiant des aspects spécifiques du problème global, il s’agit d’intégrer les diverses solutions et d’aller vers une expérimentation sur la plateforme physique. Cela passera par des étapes où certains éléments sont simulés ou émulés (l’environnement, les drones, les capacités de calcul, de communication). D’autres solutions seront étudiées et l’environnement de co-simulation devra être conçu de manière à rester suffisamment générique pour s’y adapter. Certaines questions sont étudiées actuellement autour des problèmes d’initialisation automatique des couplages, de la gestion des formats hétérogènes, de la gestion de mode d’évolution temporelle hétérogène etc. Il s’agira de permettre la mise en oeuvre et l’évaluation des solutions développées sur le matériel investi au travers de ce projet.
Afin d’illustrer l’ensemble des résultats du projet, nous nous proposons de développer un démonstrateur de synthèse dans un scénario de surveillance d’un environnement industriel ou naturel, avec ou sans capteurs de faible consommation énergétique.
CV des porteurs de l’opération
Jean-Christophe PONSART est docteur de l’Université de Savoie (Annecy, France) en Automatique (commande non-linéaire de suspensions magnétiques et les aspects d’implémentation numérique) depuis 1996. En 1997, il a participé à la synthèse et la mise en place de contrôleurs temps-réels avec une architecture DSP dans l’industrie. Depuis 1997 il est maître de conférences au CRAN – Université de Lorraine. Il est titulaire d’une habilitation à diriger les recherches et professeur des universités depuis septembre 2016. Ses intérêts de recherche portent sur les méthodes de synthèses pour les capteurs et actionneurs en tenant compte d’un modèle basé diagnostic, sur la commande tolérante aux fautes pour les systèmes linéaires invariants dans le temps, linéaires dépendant d’un paramètre variant et non-linéaires. Il est co-auteur de 90 articles de journaux et conférences et d’un livre intitulé «Fault-tolerant Control
Systems: Design and Practical Applications».
Laurent CIARLETTA est docteur en informatique de l’Université de Lorraine et maître de conférences à Mines Nancy de l’Université de Lorraine. Il est responsable de l’équipe SIMBIOT du LORIA. Il est aussi fondateur de la startup Alérion. Ses thématiques de recherche portent sur la conception et le développement d’outils d’étude, d’intégration et d’évaluation des systèmes complexes à composante informatique. C’est-à-dire de dispositifs composés de nombreux éléments hétérogènes en interaction
tels que le réseau électrique moderne et son environnement de pilotage (« Smart Grid »), les
espaces connectés autonomes (« Smart Spaces »), et les escadrilles de drones civils
nécessitant des solutions de multi-modélisation, co-simulation, télécommunication et assemblage de composants logiciels et matériels sûrs. Il dirige ou participe à plusieurs partenariats académiques et industriels.
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