Coopération dans les systèmes multi-robots : contribution au maintien de la connectivité et à l’allocation dynamique de rôles

par Van Tuan Le

Thèse de doctorat en Informatique et application

Sous la direction de François Bourdon.

Soutenue en 2010

à Caen .


  • Résumé

    Face à la complexité des tâches à faire réaliser par un système multi-robots, l’approche la plus communément adoptée consiste à « diviser pour régner ». Il s’agit de décomposer la tâche complexe en sous-tâches, puis chacune de ces sous-tâches en sous-sous-tâches. Ce processus est répété jusqu’à arriver à des tâches élémentaires, qui peuvent être réalisées par des robots individuels. Cette démarche bien que séduisante à prime abord, présente l’inconvénient de ne pas être toujours facile à mettre en œuvre. En effet, dans la majorité des travaux existants, la décomposition d’une tâche complexe en tâches élémentaires est effectuée de manière plutôt ad hoc et liée au système robotique cible. Cela constitue en effet, un frein à la réutilisation du résultat de la décomposition – tant au niveau logiciel qu’au niveau logique – avec d’autres systèmes robotiques. Dans cette thèse, nous proposons une solution qui permet à n’importe quelle collection de robots hétérogènes de s’organiser en équipes et sous-équipes et ce, en fonction à la fois des exigences de la tâche à réaliser, des robots disponibles et de leurs ressources. Notre approche basée sur la décomposition d’une tâche complexe en rôles, sépare les préoccupations du niveau de conception et du ni- veau d’implémentation. Ainsi, une même solution logique peut être (ré)utilisée sur des systèmes multi-robots avec des capacités variées. Une fois la tâche dé- composée en rôles, nous sommes confrontés à un problème bien connu et encore non résolu : le problème général d’affectation optimale de rôles aux robots de manière efficace. Face à ce problème NP-difficile, nous proposons des heuris- tiques basées sur le protocole Contract-Net pour affecter les rôles aux robots afin de former des coalitions. Chaque coalition se compose de robots coopérant de manière étroite pour effectuer une tâche unique. L’affectation de rôles aux robots, ainsi que la coopération de ces derniers re- quièrt que les robots puissent communiquer de manière fréquente. Or, la connec- tivité du réseau de robots est un pré-requis de la communication. Nous propo- sons une solution originale à ce problème basée sur notre concept de « sensi- bilité à la connectivité ». Il s’agit de doter chaque robot d’une connaissance de la structure du réseau. Nous montrons qu’une connaissance partielle et locale à chaque robot, peut être exploitée pour maintenir la connectivité du réseau de manière distribuée et robuste. Chaque robot peut ainsi planifier localement ses déplacements sans mettre en péril la connectivité du réseau global. En effet, cette connaissance locale que représente la sensibilité à la connectivité peut être ex- ploitée pour déterminer les nœuds (robots) et les connexions critiques du réseau de robots.

  • Titre traduit

    Cooperation in multi-robot systems : a contribution to maintaining the connectivity and to dynamic allocation of roles


  • Résumé

    Given the complexity of the tasks to be undertaken by a multi-robot system, the approach most commonly adopted is to “divide and conquer”. It is to decompose the complex task into subtasks, then each of these sub-tasks into sub-sub-tasks. This process is repeated until we reach basic tasks that can be made by individual robots. This approach, although attractive at first glance, has the disadvantage of not always be easy to implement. Indeed, in the majority of existing work, the decomposition of a complex task into elementary tasks is performed in a rather ad hoc and dependent upon the target robot system. This is indeed a barrier to reuse the result of the decomposition – both software to the logic level with other robotic systems. In this thesis, we propose a solution that allows any collection of heteroge- neous robots to organize themselves into teams and sub-teams and this, accor- ding to both the requirements of the task at hand, robots available and resources. Our approach based on the decomposition of a complex task roles, separates the concerns of the design and implementation level. Thus, one logical solution may be (re)used on multi-robot systems with varying abilities. Once the task is decomposed into roles, we are facing a well-known, yet unresolved problem : the general problem of assignment of roles to robots effectively. Faced with this problem NP-hard, we propose heuristics based on the Contract-Net protocol to assign roles to the robots to form coalitions. Each coalition is composed of robots cooperating tightly to perform a single task. Assigning roles to robots, as well as the cooperation of the latter requires that the robots must be able to communicate frequently. As a result, the network connectivity of robots is a prerequisite for communication. We propose a novel solution to this problem based on our concept of “connectivity awareness”. It is about equipping each robot with an knowledge of the network structure. We show that a partial and local knowledge in each robot can be exploited for main- taining network connectivity in the robust distributed manner. Each robot can plan its own move locally without jeopardizing the overall network connectivity. Indeed, this local knowledge that is the connectivity awareness can be exploi- ted so that each robot can determine whether the global network connectivity is robust to the its own network connectivity failure or not.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (XV-137 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p.129-137. Index

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  • Bibliothèque : Université de Caen Normandie. Bibliothèque universitaire Sciences - STAPS.
  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : TCAS-2010-43
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