Algorithmique distribuée pour grands ensembles de robots : centralité, synchronisation et auto-reconfiguration

par André Naz

Thèse de doctorat en Informatique

Soutenue le 04-12-2017

à Bourgogne Franche-Comté , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; Dijon ; Belfort) , en partenariat avec FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) (laboratoire) , Université de Franche-Comté (Site de préparation) et de Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies / FEMTO-ST (laboratoire) .

Le président du jury était Kay Römer.

Le jury était composé de Julien Bourgeois, Seth Copen Goldstein, Benoît Piranda, Kay Römer, Roger Wattenhofer, Nikolaus Correll.

Les rapporteurs étaient Roger Wattenhofer.


  • Résumé

    Les récentes avancées technologiques en particulier dans le domaine de la miniaturisation de dispositifs robotiques laissent présager l'émergence de grands ensembles distribués de petits robots qui coopéreront en vue d'accomplir des tâches complexes (e.g., robotique modulaire, robots en essaims, microsystèmes électromécaniques distribués). Ces grands ensembles seront composés d'entités indépendantes, intelligentes et communicantes qui agiront comme un ensemble à part entière. Pour cela, elles s'auto-organiseront et collaboreront en vue d'accomplir des tâches complexes. Ces systèmes présenteront les avantages d'être plus polyvalents et plus robustes que les systèmes robotiques conventionnels tout en affichant un prix réduit. Ces ensembles formeront des systèmes distribués complexes dans lequel chaque entité sera un système embarqué à part entière avec ses propres capacités et ressources toute fois limitées. Coordonner de tels systèmes posent des défis majeurs et ouvrent de nouvelles opportunités dans l'algorithmique distribuée. Je défends la thèse qu'il faut d'ores et déjà identifier et implémenter des algorithmes distribués servant de primitives de base à la coordination de ces ensembles. Dans ce travail, nous nous focalisons sur une classe particulière de robots, à savoir les robots modulaires distribués formant de grands ensembles de modules fortement contraints en ressources (mémoire, calculs, etc.), placés dans une grille régulière et capables de communiquer entre voisins connexes uniquement. J'ai identifié et implémente trois primitives servant à la coordination de ces systèmes, à savoir l'élection d'un nœud central au réseau, la synchronisation temporelle ainsi que l'auto-reconfiguration. Dans ce manuscrit, je propose un ensemble d'algorithmes distribués réalisant ces primitives. J'ai évalué mes algorithmes en utilisant des expériences sur des modules matériels et en simulation sur des systèmes, composés de quelques dizaines à plus d'une dizaine de milliers de modules. Ces expériences montrent que nos algorithmes passent à l'échelle et sont adaptés aux grands ensembles distribués de systèmes embarqués avec des ressources fortement limités à la fois en mémoire et en calcul.

  • Titre traduit

    Distributed algorithms for large-scale robotic ensembles : centrality, synchronization and self-reconfiguration


  • Résumé

    Technological advances especially in the miniaturization of robotic devices foreshadow the emergence of large-scale ensembles of small-size resource-constrained robots that distributively cooperate to achieve complex tasks (e.g., modular self-reconfigurable robots, swarm robotic systems, distributed microelectromechanical systems, etc.). These ensembles are formed from independent, intelligent and communicating units which act as a whole ensemble. These units cooperatively self-organize themselves to achieve common goals. These systems are tought to be more versatile and more robust than conventional robotic systems while having at the same time a lower cost.These ensembles form complex asynchronous distributed systems in which every unit is an embedded system with its own but limited capabilities. Coordination of such large-scale distributed embedded systems poses significant algorithmic issues and open for new opportunities in distributed algorithms. In my thesis, I defend the idea that distributed algorithmic primitives suitable for the coordination of these ensembles should be both identified and designed.In this work, we focus on a specific class of modular robotics systems, namely large-scale distributed modular robotic ensembles composed of resource-constrained modules that are organized in a lattice structure and which can only communicate with neighboring modules. We identified and implemented three building blocks, namely centrality-based leader election, time synchronization and self-reconfiguration.We propose a collection of distributed algorithms to realize these primitives. We evaluate them using both hardware experiments and simulations on systems ranging from a dozen of modules to more than a dozen of thousands of modules. We show that our algorithms scale well and are suitable for large-scale embedded distributed systems with scarce memory and computing resources.


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Informations

  • Sous le titre : Distributed algorithms for large-scale robotic ensembles : centrality, synchronization and self-reconfiguration
  • Détails : 1 vol. (175 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 151-163
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