Vers une conception modulaire et sûre des autopilotes des drones autonomes

Towards a Safe and Modular Architecture for Autonomous Drone Autopilots

• Auteur / Autrice : Matheus Ladeira Boechat Lemos
• Direction : Emmanuel Grolleau, Yassine Ouhammou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique et applications
• Date : Soutenance le 14/11/2023
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Informatique et d'Automatique pour les Systèmes / LIAS
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Joël Goossens, Liliana Cucu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sanjoy Kumar Baruah, Chokri Mraidha

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes embarqués (informatique)

Temps réel (informatique)

Ingénierie dirigée par les modèles

Fiabilité

Drones

Mots clés libres

Autonome

Micro Air Vehicle Link (MAVLink)

Unmanned Aerial Vehicle (UAV)

ROS (système d'exploitation des ordinateurs)

Autonomous

Micro Air Vehicle Link (MAVLink)

Unmanned Aerial Vehicle (UAV)

Robot Operating System (ROS)

Résumé

Dans cette thèse, nous cherchons à réduire l’écart entre la personnalisation des drones autonomes et leur sûreté de fonctionnement en analysant l’état de l’art actuel de la sûreté des systèmes embarqués temps réel. Les pilotes automatiques de drones sont étudiés dans leur cœur, ainsi leur dynamique d’exécution est mise en évidence et des améliorations de sûreté sont proposées. L’exécutif cyclique au cœur de la plupart des pilotes automatiques open-source est comparé à un système offset-free, et l’algorithme GCD+ est suggéré comme outil pour calculer les décalages pour de tels systèmes. Plus tard, une adaptation de cet algorithme, appelée GCD#, est suggérée pour calculer les décalages pour les flux de messages dans les réseaux commutés. Ensuite, une approche basée sur des modèles est proposée pour augmenter l’adaptabilité des pilotes automatiques de drones en tant que composants prêts à l’emploi : RoBMEX est présenté comme un cadre de modélisation pour adapter les drones à diverses missions, basé sur ROS et le protocole de communication MAVLink. Enfin, la modularité est évaluée en étudiant les architectures de pilote automatique actuellement utilisées en ce qui concerne leurs modules fonctionnels, et des lignes directrices sont établies sur la base d’une architecture de référence pour permettre la personnalisation des pilotes automatiques de drones sans perdre de vue leur sûreté de fonctionnement.

In this thesis, we seek to reduce the gap between autonomous drone customization and safety by analysing the current State of the Art of real-time embedded system safety. Drone autopilots are studied at their core, so their execution dynamics are highlighted and safety improvements are proposed. The cyclic executive in the core of most open-source autopilots is compared to an offset-free system, and the GCD+ algorithm is suggested as a tool to calculate offsets for such systems. Later, an adaptation of that algorithm, called GCD#, is suggested to calculate offsets for message flows in switched networks. Then, a model-based approach is proposed to increase the adaptability of drone autopilots as Components Off-the-Shelf: RoBMEX is presented as a modelling framework to adapt drones to various missions, based on ROS and the MAVLink communication protocol. At last, modularity is assessed by studying currently used autopilot architectures with respect to their functional modules, and guidelines are made based on a reference architecture to allow for drone autopilots to be customized without loosing sight of safety aspects.