Protocole d'allocation de tâches pour des missions d'observation réalisées par des robots hétérogènes sous contraintes de communication

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1 Protocole d'allocation de tâches pour des missions d'observation réalisées par des robots hétérogènes sous contraintes de communication Hung CAO, Simon LACROIX, Félix INGRAND, Rachid ALAMI CAR'09 Control Architectures of Robots 1

2 Mots d'introduction : Le cadre : le projet PEA Action Travail en cours sur un des scénarios du projet : mission d'exploration afin de localiser les cibles hostiles. 2 1 Pour l équipe des véhicules, la mission consiste à parcourir l environnement afin de localiser les cibles hostiles CAR'09 Control Architectures of Robots 2

3 Plan de la présentation Cadre du travail : Notre scénario et ses 4 particularités. Tour d'horizon des approches traitant ces points. Notre approche : Planification explicite de la communication par négociation. Le protocole d'allocation de tâches. Architecture multi-véhicule. Travaux en cours. CAR'09 Control Architectures of Robots 3

4 Charactéristiques dominantes du scénario : Mission d'observation pour détection. Équipe hétérogène (UAVs et UGVs)1 hétérogène dans leurs capacités hétérogène dans leur environnement d évolution Environnement large, riche et partiellement connu: Ex. : Terrain militaire de Caylus (Village de combat)1 Contraintes de communication : Communication non permanente sauf celle entre les UAVs et la base (OP). 100m. CAR'09 Control Architectures of Robots 4

5 Panoplie des travaux existants Travaux existants sur la patrouille/exploration multi-véhicule : Équipe de robots homogènes Communication permanente Terrain de dimension faible. Peu de terrains réalistes [LemaireAlamiLacroix04],[ZlotStentz04],[MosteoMontanoLagoudakis08], [Sariel06],, [Simmons00], [BurgardSimmons00], [HazKaminka05], [AgmonKaminkaKraus 08], [Elmaliach08], [MazaOllero04], [Lagoudakis04], [Berhault03], [Trevai07], CAR'09 Control Architectures of Robots 5

6 Exploration multi-véhicule : Tour d'horizon Exploration multi véhicule Différentes variantes selon 3 axes : Objectif : construction de l'environnement, routing, reconnaissance/observation, surveillance. Connaissance sur l'environnement : connu vs inconnu. Contraintes de communication : limité ou permanent. Stratégies d exploration : Approche Frontiers-based Approche avec Planification + Allocation de tâches Approche Planification. CAR'09 Control Architectures of Robots 6

7 Contraintes de communication : les solutions Quelques approches : Ne pas gérer : création des clusters dynamiques entre les robots (W. Burgard). Coordination implicite et explicite : Dure : MANET, rester en communication comme une contrainte forte ([Mosteo et Montano]). Souple : communication comme une fonction à optimiser utilité ([N. Atay],[Rooker]). règles de déplacement (flocking-based) Pas de planification de la communication CAR'09 Control Architectures of Robots 7

8 Approche basée sur MANET Idée : mécanisme sous-jacent de controle de la connectivité au dessous de l'algorithme de routage => l'équipe forme un réseau MANET à tout instant de la mission. Pré-éminence de la coordination de mouvement. Notions de spring : un lien de com. de faible qualité de signal ou en menace de l etre. Les springs sont crées : Qualité du signal. Présence des obstables => force repulsive. Présence des buts => force attractive. Formation dynamique des groupes selon la {R1,R4},{R2,R3,R5},{R6} création et disparition des springs Les tâches sont allouées aux groupes (allocation de tâches) CAR'09 Control Architectures of Robots 8

9 Comm. : une fonct. d utilité à maximiser Communication comme une des fonctions à maximiser. Chaque robot trouve un plan optimal (à 1 étape) pour lui même et les véhicules en communication directe. Ils s'échangent leurs plans (traduits en intentions et directives) Ils re-calculent leur plan optimal. 1 échange seulement d'information. CAR'09 Control Architectures of Robots 9

10 Motivations du travail Un système qui gère la richesse de l environnement. Un système qui gère de manière explicite la communication. Un système dynamique pour les aléas. Un système adapté à la hétérogénéité des véhicules. CAR'09 Control Architectures of Robots 10

11 Notre approche CAR'09 Control Architectures of Robots 11

12 La richesse de l env. : Les modèles 3D Modèle 3D (numérique de terrain) Modèles de perception.. de cible.. de l env. Modèle de communication Trav. Modèle de traversabilité Modèle des amers Modèle de navigation Amers Modèle du contexte Modèle d'utilité d'observation Contexte CAR'09 Control Architectures of Robots 12

13 Modèle de navigation Modèle de navigation estimer le coût et le temps de navigation de chaque robot pour aller d une position à une autre. Une zone interdite aura un coût et un temps infini CAR'09 Control Architectures of Robots 13

14 Modèles de perception Modèles de perception Calculer ce que peut percevoir le robot. Calculer quelles positions (x,y,theta) pour percevoir une zone. CAR'09 Control Architectures of Robots 14

15 Modèle de communication Modèle de communication Fournir un ensemble de fonctions pour calculer la communication (deux vehicules, vehicule/base). Fonction com: Entree : Position discrète du robot Sortie : Liste des cellules communicables Fonction com2d : Entrée : Postions de deux robots Sortie : Communication bi-directionelle possible? CAR'09 Control Architectures of Robots 15

16 Modèle d'utilité d'observation Modèle d utilité d observation Fournir l information sur : quels sont les endroits où les cibles évoluent le plus souvent? Cela rend une visite d une cellule ou une autre plus pertinente et plus prioritaire. Peut récuperer l information de la carte contexte (en bas à droite). CAR'09 Control Architectures of Robots 16

17 Protocole d allocation de tâches Les tâches sont générées, distribuées et échangées entre les véhicules. La distribution et l échange : par négociation avec un système de coût (déplacement, équité,.etc). Distribution/re-distribution. Négociation entre groupes de véhicules. l aspect de communication. CAR'09 Control Architectures of Robots 17

18 Modèle d actions pour A.T. perceive-target Percevoir une zone dans le but de détecter une cible. perceive-env Percevoir une zone dans le but de construire/de mettre a jour l environnement com-relay Se servir de relai de communication pour un autre véhicule. help-localize : jointe Aider un autre vehicule a se localiser help-com : jointe Servir de relai de communication pour un autre vehicule help-navigate : coopérative Aider un autre vehicule a construire la carte d environnement necessaire a la navigation. CAR'09 Control Architectures of Robots 18

19 Justification du choix Justification du choix de l allocation de tâches : Un protocole simple pour des missions/problèmes complexes Un protocole complètement (ou un peu moins dans divers cas) distribué. Robuste aux défaillances individuelles des robots Un protocole dynamique : Adapté aux changements de l environnement Robuste aux contraintes de communication (négociation entre un sousgroupe de robots, ) Un protocole assez générique Limitations de ce protocole : Solution bien inférieure à l optimalite. Surtout dans notre scénario ou la communication est restreinte. CAR'09 Control Architectures of Robots 19

20 Stratégie d exploration Décomposition et allocation Chaque véhicule peut enchérir sur une tâche/zone atomique ou abstraite. Chaque véhicule décompose à son tour ses zones abstraites et redistribuent : Initiative de décomposition au niveau de chaque véhicule => solution potentielle de meilleure qualité. Décomposition en quadtree perceive-target perceive-target CAR'09 Control Architectures of Robots 20

21 Stratégie d exploration décomposition R4 Zi Allocation par négociation R3 Zi R1 R2 décomposition R4 Allocation via négociation CAR'09 Control Architectures of Robots 21

22 La gestion de la communication Contrainte de com avec la base Voir la communication comme une tâche jointe un mécanisme de négociation de la communication, établir les rendez-vous. com-for-negociate, com-data-with-base, com-data-with-vehicles. Les véhicules génèrent les taches de com selon : Leur contrainte de com. avec la base Contrainte de synchronisation dans les plans La configuration de l équipe et le besoin de la com pour négocier. Mécanisme de relai de communication : help-com CAR'09 Control Architectures of Robots 22

23 Les briques du système Fonctionnel : Perception (différents capteurs), navigation, localisation, communication. Contrôle d exec. Décision : Planificateurs dédiés : déplacement, RDVs, perception. Négociation Supervision de décision Décision Supervision de decision Planif. dédiés Contrôle d exec. Fonctionnel R1 Négociation Ri CAR'09 Control Architectures of Robots 23

24 Conclusions et Travaux en cours Présentation du travail et des briques de base du système. L aspect communication La protocole d allocation de tâches et stratégie d exploration. Les modèles d env. et d action. Travaux en cours : Développement du simulateur unitaire. Dévelopment de l interface des modèles d env. Mener les réflexions sur l aspect décision CAR'09 Control Architectures of Robots 24