MaestRO : une approche formelle pour la programmation d'applications robotiques

• Auteur / Autrice : Nicolas Turro
• Direction : Ève Coste-Manière, Robert de Simone
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance en 1999
• Etablissement(s) : Nice
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Nice-Sophia Antipolis. Faculté des sciences
• Jury : Président / Présidente : Jean-Paul Rigault
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bernard Espiau, Oussama Khatib
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rachid Alami, Lionel Marcé

Mots clés

Mots clés contrôlés

Robotique

Langages dédiés (informatique)

Transmission synchrone

Méthodes formelles (informatique)

Esterel (langage de programmation)

Résumé

Depuis peu les robots font leur apparition dans les salles d'opération, et tendent à s'introduire parmi les humains pour les assister dans la vie quotidienne. Cet élargissement du champ opératoire des robots nécessite une robustesse accrue et une programmation plus sophistiquée. Le langage MaestRo propose dans cette thèse, ainsi que son environnement de vérification formelle contribue à faire face à ces besoins. Il s'inscrit dans une approche très structurée de la programmation robotique : l'approche contrôle commande. Celle-ci dissocie les aspects continus de la commande des robots et le contrôle discret dont la logique décide des changements de mode de commande. Nous avons conçu MaestRo comme un langage de programmation dédié au contrôle robotique. Sa principale originalité est l'introduction de méthodes formelles dans le domaine de la robotique pour d'analyse des programmes, promouvant ainsi une sureté de programmation accrue. Pour ce faire, nous utilisons tout d'abord des techniques d'analyse statique. Elles sont basées sur un ensemble de règles logiques décrivant le comportement de chacun des opérateurs du langage et permettant la vérification de certaines propriétés génériques, indépendantes de l'application. De plus, nous avons défini une traduction des programmes maestro dans le langage synchrone ESTEREL, donnant accès à des outils de vérification comportementale. Celles-ci aident à prouver que les réactions du programme sont systématiquement correctes, quel que soit le déroulement de l'exécution. En plus d'une syntaxe simple et dédiée à la robotique, nous avons défini pour MaestRo une sémantique et une interface claire avec les actions élémentaires de commande, à la base de la traduction en ESTEREL. L'utilisation de MaestRo a été validée grâce à une implantation dans l'environnement Centaur et des expérimentations conjointes avec l'environnement ORCCAD sur plusieurs plates-formes robotiques.

Robots have increasingly been used to help us with everyday tasks, and only recently they ave started appearing in operating rooms. This new domain, requires that the robots be robust and the underlying programs be sophiscated. The MaestRo language, which is porposed in this thesis, along with its formal verification environment addresses these new demands of the robotics fied. The programming approach is a very structure one, based on the « contrôle commande » paradigm. That is, we separate the continuous aspects of commanding the robot from the discrete control where we decide to change the commande mode. MaestRo is a programming language to robot control. The main originality of our work is the introduction of formal methods in the robotics domain in order to analyze the programs developed. To this end, we first use static analysis techniques. These are based on a set of logical rules that describes the behavior of each operator in the language and that allows one to verify generic properties independent of a given application. In addition, we have defined a trasnlator from MaestRo to the easy snchronous ESTEREL programming language, in order to verify the program behavior. This allows us to use model checking tools to prove that the program correctly reacts, at any point during its execution. In addition to its simple robotic-specific syntax, we have defined MaestRo’s semantics and an easy-to-use interface with actions associated to the elementary commands; the latter is based on the ESTEREL translation. We have validated MaestRo and its environment whith an implementation using the Centaur environment and with experiments conducted jointly with the ORCCAD enviroment on several robot platforms.