De nouveaux outils pour le prototypage des systèmes informatiques embarqués temps réel

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1 De nouveaux outils pour le prototypage des systèmes informatiques embarqués temps réel Claude Laurgeau Professeur à l Ecole des Mines de Paris Directeur du Centre de Robotique Quelles seront les applications embarquées temps réel de demain et comment seront-elles conçues? Quels sont les outils de développement qui seront nécessaires pour les mettre en œuvre? Cet article se propose d apporter des éléments de réponse à ces questions. 1 - De la CAO au maquettage virtuel Le plus souvent aujourd hui, les objets techniques réalisés par l homme sont conçus et fabriqués avec une assistance informatique. A l origine, la Conception Assistée par Ordinateur a remplacé les anciennes pratiques du dessin essentiellement au niveau de la géométrie des objets à réaliser. La CAO a révolutionné progressivement des secteurs anciens comme la mécanique, le bâtiment, l industrie du bois et du meuble, les industries du cuir ou de l habillement. Des nouveaux secteurs nés avec la CAO ne pourraient exister sans elle. Par exemple la conception de circuits intégrés à haute intégration. Mais un objet technique n est pas que géométrie, il a des caractéristiques mécaniques, thermiques, optiques, chimiques Les assistances logicielles à la conception ont progressivement adressé les multiples facettes des objets à réaliser. Le développement du calcul formel et la diffusion d ateliers logiciels de mathématiques appliquées ont accru la productivité des bureaux d étude. Les industries hautement technologiques comme l aéronautique, l automobile, le spatial ont joué un rôle moteur. On sent une tendance générale qui est de pousser le plus loin possible la conception et la représentation des objets ou systèmes avant d en réaliser le premier exemplaire physique On parle alors de maquette virtuelle. Ces maquettes virtuelles sont présentées dans des salles immersives avec des systèmes interactifs pour commenter et amender le projet. Les décideurs sont immergés au niveau visuel, sonore et parfois retour d effort dans des environnements de réalité virtuelle de plus en plus complexes. Peut-on supprimer complètement les essais expérimentaux, peut-on supprimer les unités pilotes ou les prototypes? La réponse est clairement non. Les unités pilotes en chimie, les pistes d essais pour les véhicules, les souffleries pour l aéronautique, les bassins d essai des carènes restent utiles et même incontournables. Il s agit aujourd hui de s attacher à fournir les outils pour rapprocher le simulateur du monde réel et pour passer plus facilement et rapidement de la machine virtuelle à la machine réelle et vice-versa. 2 - Le cycle prototypage et conception Puisque la maquette virtuelle ne peut pas tout et que l expérimentation reste nécessaire, il convient tout de même de minimiser la partie expérimentale coûteuse, autant que cela est possible en l intégrant harmonieusement au cycle de conception. voituredufutur.doc - 1 -

2 Un objet technique complexe comme une nouvelle voiture ou un avion ne peut pas être créé ex-nihilo. Les concepteurs passent d une étape n où existent des exemplaires physiques à une étape n+1 où ils conçoivent en virtuel la nouvelle génération de l objet. Il est judicieux d utiliser les relevés expérimentaux nécessaires sur la génération n pour alimenter les modèles mathématiques de représentation de la maquette virtuelle de l objet de génération n+1. Pour accroître la productivité des ingénieurs de conception, ce sont la phase d acquisition de données numériques sur l objet réel de génération n et la phase d exploitation de ces mêmes données dans le maquettage virtuel qu il faut accélérer. Il convient donc de créer des logiciels d assistance à ces deux phases. Base de donnée de scenarii Analyse des données Prototypage des algorithmes en simulation Figure 1 : Le cycle de prototypage et conception Tout d abord il faut dire que de plus en plus de systèmes automatisés font et feront appel à des informations que les roboticiens qualifient d extéroceptives, c est à dire qui sont prélevées non pas sur le système automatisé lui-même mais sur son environnement, c est le cas des informations vidéo, audio, télémétrique, radar notamment. Les robots nomades où sont implémentés des systèmes embarqués temps réel constituent d excellents exemples sans être exhaustifs. 3 - L informatique embarquée temps réel Tests en conditions réelles Le mot informatique dans l expression ci dessus se voit associée à deux attributs que nous allons préciser.. Commençons par le plus simple, l appellation embarquée se dit de tout système informatique qui est appelé à fonctionner sur une plate-forme mobile. Il peut s agir d un véhicule terrestre, voiture, camion, engin agricole, militaire ou de travaux publics. Il peut s agir encore d un engin se déplaçant dans l atmosphère, avion, hélicoptère, fusée, drone, missile ou évoluant sur voituredufutur.doc - 2 -

3 ou dans l eau, navire, sous-marin Enfin le qualificatif sera encore vrai pour des systèmes de transport ferroviaires, train, TGV, tramway Les spécificités de l informatique embarquée tiennent aux contraintes d autonomie énergétique, aux vibrations et le cas échéant à d autres problèmes liés à la masse ou au volume transporté, à la dissipation thermique, les contraintes électromagnétiques La conception d applications embarquées évolue très rapidement en rapport avec la complexité croissante des problèmes à traiter : il devient souvent nécessaire de traiter simultanément de multiples capteurs. Par exemple dans l automobile, le multiplexage doit permettre aux différentes applications embarquées de mieux communiquer entre elles et de profiter de l ensemble des capteurs embarqués : aujourd hui les gyromètres et capteurs odométriques, parfois le GPS, demain les radars, télémètres lasers et caméras vidéos. La fusion de données devient la clé des applications futures. L appellation «temps réel» est en revanche une expression largement utilisée et rarement définie et maîtrisée. Elle est souvent associée implicitement par les spécialistes à la notion de déterminisme, et par les non-spécialistess à une notion vague de vitesse de traitement de l information En fait il s agit typiquement d un terme très polémique qui ne veut pas dire grand chose Si on en revient à la source sémantique du terme, le caractère temps réel d un traitement informatique n a de sens que dans le contexte d une interactivité entre le système informatique et le système physique auquel il est connecté ou l opérateur humain qui l utilise. Tout est affaire d harmonie entre la fréquence de traitement et la bande passante du système physique ou humain connecté. Ainsi un calculateur de procédé qui contrôle la température d une tour de reforming catalytique avec un temps de cycle de une minute mérite largement le qualificatif temps réel. En revanche un système de vision qui suit une cible volante avec un temps de calcul de une seconde n est évidemment pas qualifiable de temps réel. Dans le domaine vidéo, on a pris l habitude de définir le temps réel comme étant l aptitude à effectuer les traitements à une fréquence de 25 hertz soit un temps de cycle de 40 millisecondes. En fait cela ne résulte que d un compromis historique et d un standard apparu au début de la télévision mais l analyse de nombreux systèmes dynamiques exige des performances bien supérieures La notion de temps-réel elle-même est en profonde évolution. La notion un peu académique qui associe le temps-réel au déterminisme a vécu, remplacée par une vision plus pragmatique de la chose, associée plus étroitement à la notion de fréquence d exécution d une part et de robustesse d autre part. Etant donnée la complexité des applications, il va devenir extrêmement difficile de chercher à certifier le fonctionnement déterministe d un système. En effet, les algorithmes modernes de traitement d images ont des temps d exécution et une qualité de résultat très variable en fonction des événements à détecter et traiter. Lorsque viennent s ajouter à ces algorithmes des traitements «bas niveau» des systèmes d interprétation plus haut niveau, la fameuse «fusion de données», voire des phases «actives» qui vont déclencher certains traitements uniquement dans certains cas, le temps d exécution d une application devient une donnée très abstraite. S il convient donc d écarter progressivement la notion classique de temps-réel «déterministe», il faut veiller pour autant à ne pas sacrifier la robustesse des systèmes. Pour cela, plutôt que de s attacher à réaliser une application qui tourne toujours en un temps inférieur à T, on s attachera à réaliser une application qui dans 99% des cas fonctionne en un temps inférieur à T, ce qu on pourra vérifier en pratique, et on s attachera à mettre en place les systèmes de sécurité associés au bon fonctionnement de l application. Ce dernier point signifie que la conception de l application temps-réel de demain implique une capacité voituredufutur.doc - 3 -

4 d observation très pointue du système en fonctionnement. Il s agit donc de se doter des outils permettant de mesurer comment se comporte chacune des tâches d un dispositif, d être capable de détecter voir d anticiper les disfonctionnements. Il s agit de se doter d outils permettant de mettre en oeuvre des dispositifs de remplacement, de secours. La conception d une application temps-réel impliquera donc dans le futur, la conception de superviseurs capables de mesurer les performances du dispositif en temps-réel. Il ne faut pas interpréter ce qui précède comme un plaidoyer contre les systèmes d exploitation dits «temps-réel» : le bon outil de base reste un système d exploitation dont on sait le plus précisément possible comment il va se comporter en fonctionnement, c est-àdire comment il va traiter les interruptions matérielles, comment il va commuter d une tâche à l autre. Incontestablement, des tels outils sont et resteront très utiles. Il apparaît cependant qu il manque aujourd hui une couche entre ces systèmes d exploitation et ces applications complexes à développer : une surcouche de système d exploitation qui ferait office à la fois de modèle de composants distribués à flux de données, de système de mesure de performances, suffisamment souple pour pouvoir évoluer dynamiquement au cours du temps. 4 Nouveaux capteurs et traitement des informations Un autre phénomène observable est l émergence industrielle de la vision. Le capteur vision a toujours été considéré comme prometteur mais a été longtemps paralysé au niveau de son développement industriel par deux problèmes majeurs : l absence d algorithmes fiables, de «référence» et l insuffisance de puissance de traitement nécessaire pour la réalisation d applications temps-réel. Ces deux points disparaissent peu à peu : la librairie «Open Computer Vision» développée et maintenue par Intel est une preuve de la stabilisation des algorithmes, et la puissance des processeurs aujourd hui disponibles permet de traiter des problèmes réels, les débits vidéo étant du même ordre que ceux des bus standards. Les avantages du capteur vidéo apparaissent alors comme déterminants : un coût très faible en grande série, une excellente fiabilité mécanique du capteur lié à l absence de partie mobile, un large champ d observation qui en fait un capteur très informatif et la possibilité d utiliser un même capteur pour plusieurs applications différentes ce qui permet une répartition du coût. Un bon dispositif de création d applications doit intégrer des outils de conception orientés vision, c est-à-dire être capable de prendre en charge l acquisition d images analogiques ou numériques, leur compression et décompression éventuelles, et le traitement de ces images. Un autre point fondamental est la synchronisation des capteurs. Une application multi capteurs se voit confrontée au mélange de données provenant de sources multiples et asynchrones. Ce mélange nécessite d être capable de situer le plus parfaitement possible chaque donnée par rapport aux autres. Il se pose donc le problème de la datation des données, de la synchronisation des horloges des capteurs mais aussi des différentes unités de traitement distribuées, et du choix de la référence temporelle. Un bon dispositif de création d applications doit également prendre en charge ces tâches, c est-à-dire utiliser automatiquement le temps UTC s il est disponible par GPS, implémenter des protocoles de synchronisation entre horloges du type NTP (Network Time Protocol). Un système d exploitation ne prend pas en charge ces tâches aujourd hui Les traitements eux-mêmes deviennent plus complexes. Ce qui hier constituait une application à part entière devient le lendemain une brique d un ensemble plus important. La nécessité de collaborer, donc de communiquer entre algorithmes va donner plus d importance à la tâche d architecture de l application. La réutilisation des composants déjà réalisés et déjà éprouvés devient cruciale, d où le succès que connaissent d ailleurs les modèles de voituredufutur.doc - 4 -

5 composants objets comme DCOM (Distributed Component Object Model) de Microsoft ou CORBA (Component Request Broker Architecture). Pour les applications embarquées, ces derniers modèles souffrent de l absence de représentation des liens de données, ce qui les rend peu populaires. Les concepteurs d applications embarquées préfèrent naturellement les modèles à flot de données, tels que ceux proposés dans LabView ou Simulink. Un modèle de conception à base de composants doit enfin être suffisamment ouvert pour permettre au concepteur d applications d utiliser ses outils habituels, que ce soit Matlab, le C++ ou Java. Il doit donc faire office de «glue» entre applications. On pourra donc privilégier un concept de «structuration graphique» de l application, plutôt que le concept de «programmation graphique» 5 - De nouveaux outils pour augmenter la productivité des développeurs et raccourcir le cycle de conception Bien que les outils présentés s appliquent à de larges classes d applications, le mieux pour les comprendre est de choisir un exemple, en l occurrence le projet européen Carsense. CarSense est un programme de recherche qui rassemble 12 partenaires dont plusieurs constructeurs automobiles, Renault, Fiat, BMW, des fabricants de capteurs radar et télémétrique, Thalès, IBEO, TRW et plusieurs laboratoires de recherche INRETS, INRIA, Ecole des Mines de Paris (voir le site L objectif est d élever la qualité de perception de l environnement de conduite par une fusion multi capteurs et de proposer aux automobilistes une sécurité accrue sur les véhicules de la future génération. Il s agit bien en s appuyant sur un véhicule réel existant, en l occurrence une Alpha-Roméo 156, de prototyper une génération améliorée. Le véhicule instrumenté dispose de 2 radars un à courte portée et un à longue portée, d un télémètre laser à balayage, de trois caméras. 4 bus CAN assurent le transport des informations. Chaque caméra ayant un débit de 11 Mo/s, le débit total d information circulant dans le véhicule dépasse les 30 Mo/s Aujourd hui, les architectures PC classiques permettent de traiter des débits de l ordre de la centaine de mégaoctets pas seconde, la bande passante maximale théorique de bus PCI étant de 132 Mo/s Par ailleurs, les meilleurs disques durs peuvent enregistrer les données à une vitesse de 30 Mo/s. Il apparaît donc qu aujourd hui un matériel informatique industriel standard permet de traiter des problèmes d une complexité plutôt importante. Cela ne fait que confirmer la nécessité d un environnement logiciel adéquat pour accompagner ce matériel et ces capteurs. voituredufutur.doc - 5 -

6 Figure 1 : Synoptique du véhicule CarSense. 5-1 Concept de magnétoscope numérique universel (UDR pour Universal Digital Recorder) Cet outil matériel et logiciel répond au premier besoin que nous avons identifié au paragraphe 2 : Assister l ingénieur de développement dans la phase d acquisition de données numériques sur l objet réel de génération n. Cet outil permet le recueil des informations à bord du système embarqué et la création de bases de données datées et synchronisées (BDDS). Il comprend principalement un rack, un processeur principal, des disques durs extractibles de grande capacité et des cartes d acquisition en relation avec les différents capteurs physiques. Les principales caractéristiques techniques concernent les flux de données, la datation des informations et leur stockage. voituredufutur.doc - 6 -

7 Figure 2 : Quelques capteurs du projet Carsense : radar(thalès) caméra vidéo - télémètre (IBEO) et vue du magnétoscope numérique universel universel (Sources Serveur Carsense et Ecole des Mines de Paris) Le magnétoscope numérique universel se doit d être flexible, paramétrable et simple à mettre en œuvre. L interface logicielle suivante montre comment ces contraintes sont satisfaites dans l exemple du projet Carsense. Figure 3 : Exemple d interface du magnétoscope numérique universel (Source Ecole des Mines de Paris) 5-2 Un atelier logiciel pour le traitement, le prototypage et la fusion de données Le magnétoscope numérique universel a répondu à la première des questions posées au paragraphe 2, l acquisition de données datées et synchronisées sur l objet physique n. Il voituredufutur.doc - 7 -

8 convient de donner maintenant aux ingénieurs d étude une réponse au deuxième besoin que nous avions identifié : l assistance pour le prototypage de l objet physique n+1. La première de ces assistances est de leur permettre de relire et de visualiser les différentes mesures stockées dans les bases de données datées et synchronisées (BDDS). Cette fonction sera assurée par un système numérique universel de visualisation (UDP pour Universal Digital Player). L UDP est le dual de l UDR en ce sens qu il peut restituer et visualiser les BDDS acquises par ce dernier sauf qu il s agit d un logiciel modulaire spécialisé et d une unité de visualisation graphique classique. Ce logiciel regroupe un ensemble de modules capables de visualiser des images vidéo, de synthétiser des signaux audio, de décoder des flux de données sur bus CAN, de visualiser des signaux sur un oscillographe multipistes etc. Figure 4 : L atelier de prototypage exécutant un traitement d images. universel (Source Intempora) L exploitation des bases de données datées et synchronisées acquises ne se limite pas à leur visualisation. Selon les signaux enregistrés, audio, vidéo, radar, GPS, centrale inertielle, bus CAN. L ingénieur de développement appréciera de pouvoir les exploiter directement sous ses environnements de travail habituels, Matlab, Maple, Mathematica, Excel. Tout en pouvant y joindre ses développements personnels en C++, Java, Visual Basic ou tout autre langage. C est précisément ce que doit offrir un atelier logiciel de prototypage pour les systèmes temps réel embarqués. voituredufutur.doc - 8 -

9 Par exemple, l atelier logiciel doit permettre pour les aspects vision de relire les bases de données vidéo, de visualiser les séquences d images d origine, de faire appel simplement à des librairies publiques tel que Open CV, de développer ses algorithmes spécifiques et d exécuter le tout en parallèle sous le même environnement. Si on prend l exemple de l analyse de l environnement routier ou de la détection d obstacles, les informations en provenance du radar ou du télémètre seront traitées par d autres modules et fusionnées avec les informations vidéo pour accroître la robustesse de détection des obstacles. La figure 4 montre l atelier de prototypage en fonctionnement. On observe l image vidéo brute d origine, l image traitée avec sur lignage des marquages au sol, une fenêtre qui simule le tableau de bord (la flèche montre l activation du clignotant droit décodé sur les signaux du bus CAN), un oscilloscope montrant l évolution de l angle volant. Les développeurs d algorithmes de contrôle commande apprécieront de disposer sous le même environnement de l interfaçage direct avec Matlab ou Scilab, les spécialistes d analyse de données disposeront sous le même environnement d un lien avec Statview ou Excel. La figure 5 montre l interface de programmation graphique de l atelier logiciel RT MAPS. voituredufutur.doc - 9 -

10 Conclusions Figure 5 : Interface de programmation graphique de RT MAPS L approche de travail proposée qui supprime les transferts de données, et les changements d environnement de développement a pour conséquence principale un gain de productivité considérable des ingénieurs de développement. Cette méthodologie et les outils informatiques correspondants ont été conçus et développés par les chercheurs du Centre de Robotique de l Ecole des Mines de Paris. Les outils qui portent la marque déposée de MAPS pour Mines Automotive Prototyping System ont été labellisés lors du concours national Anvar Bibliographie : RT MAPS, un environnement logiciel dédié à la conception d applications temps réel. Utilisation pour la détection automatique de véhicules par fusion radar et vision Bruno Steux - Thèse de l Ecole des Mines de Paris soutenue le 20 décembre 2001 ; voituredufutur.doc

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