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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes
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19019
23/01/2019

Conception et Développement de Composants Logiciels et Matériels pour un Dispositif Ophtalmique

J.COMBIER

RAP

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 23 Janvier 2019, 223p., Président: F.BERRY, Rapporteurs: A.IZAGUIRRE ALTUNA, , Examinateurs: A.BOUCHIER, O.MOREL, Directeurs de thèse: P.DANES, B.VANDEPORTAELE , N° 19019

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Résumé

Les recherches menées au cours de cette thèse de Doctorat s’inscrivent dans les activités du laboratoire commun OPERA (OPtique EmbaRquée Active) impliquant ESSILOR-LUXOTTICA et le CNRS. L’objectif est de contribuer au développement des “lunettes du futur” intégrant des fonctions d’obscurcissement, de focalisation ou d’affichage qui s’adaptent en permanence à la scène et au regard de l’utilisateur. Ces nouveaux dispositifs devront être dotés de capacités de perception, de décision et d’action, et devront respecter des contraintes d’encombrement, de poids, de consommation énergétique et de temps de traitement. Ils présentent par conséquent des connexions évidentes avec la robotique. Dans ce contexte, les recherches ont consisté à investiguer la structure et la construction de tels systèmes afin d’identifier leurs enjeux et difficultés. Pour ce faire, la première tâche a été de mettre en place des émulateurs de divers types de lunettes actives, qui permettent de prototyper et d’évaluer efficacement diverses fonctions. Dans cette phase de prototypage et de test, ces émulateurs s’appuient naturellement sur une architecture logicielle modulaire typique de la robotique. La seconde partie de la thèse s’est focalisée sur le prototypage d’un composant clé des lunettes du futur, qui implique une contrainte supplémentaire de basse consommation : le système de suivi du regard, aussi appelé oculomètre. Le principe d’un assemblage de photodiodes et d’un traitement par réseau de neurones a été proposé. Un simulateur a été mis au point, ainsi qu’une étude de l’influence de l’agencement des photodiodes et de l’hyper-paramétrisation du réseau sur les performances de l’oculomètre.

146315
18594
17/12/2018

Vérification Formelle des Modules Fonctionnels de Systèmes Robotiques et Autonomes

M.FOUGHALI

RIS

Doctorat : INSA de Toulouse, 17 Décembre 2018, 195p., Président: J.MALENFANT, Rapporteurs: C.PECHEUR, H.BRUYNINCKX, Examinateurs: J.CARDOSO, S.DAL ZILIO, J.COMBAZ, Directeurs de thèse: M.GHALLAB, F.F.INGRAND , N° 18594

Lien : https://hal.laas.fr/tel-02080063

Diffusable

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Résumé

Les systèmes robotiques et autonomes ne cessent d’évoluer et deviennent de plus en plus impliqués dans les missions à coût considérable (e.g. exploration de l’espace) et/ou dans les milieux humains (e.g. chirurgie, assistance handicap). Cette implication remet en question les pratiques adoptées par les développeurs et ingénieurs pour donner un certain degré de confiance à ces systèmes. En effet, les simulations et campagnes de tests ne sont plus adaptées à la problématique de sûreté et fiabilité des systèmes robotiques et autonomes compte tenu (i) du caractère sérieux des défaillances éventuelles dans les contextes susmentionnés (un dommage à un robot très coûteux ou plus dramatiquement une atteinte aux vies humaines) et (ii) de la nature non exhaustive de ces techniques (les tests et simulations peuvent toujours passer à côté d’un scénario d’exécution catastrophique. Les méthodes formelles, bien qu’elles offrent une solution mathématique élégante aux problèmes de sûreté de fonctionnement et de fiabilité, peinent à s’imposer, de leur côté, dans le domaine de la robotique autonome. Cette limitation devient encore plus visible au niveau fonctionnel des robots, i.e. les composants logiciels interagissant directement avec les capteurs et les actionneurs. Elle est due à plusieurs facteurs. D’abord, les composants fonctionnels reflètent un degré de complexité conséquent, ce qui mène souvent à une explosion combinatoire de l’espace d’états atteignables (comme l’exploration se veut exhaustive). Ce problème force les spécialistes soit à se limiter à des applications très simples, soit à recourir à des abstractions qui s’avèrent fréquemment exagérées, ce qui nuit à la véracité des résultats de la vérification (e.g. l’oubli des contraintes temporelles, la non inclusion des spécificités du hardware). En outre, les composants fonctionnels sont décrits à travers des languages et frameworks informels (ROS, GenoM, etc.). Leurs spécifications doivent alors être traduites en des modèles formels avant de pouvoir y appliquer les méthodes formelles associées. Cette opération, nommée formalisation, est souvent pénible, lente, et exposée à des erreurs vu la complexité des comportements que représentent les composants fonctionnels des robots. La formalisation fait face également à un autre problème également pesant, à savoir le manque de portabilité. Cela se résume au fait que chaque traduction doit être refaite dès qu’un composant change ou évolue, sans parler des nouvelles applications faites de nouveaux composants, ce qui implique un investissement dans le temps aux limites de la rentabilité. A noter que cette thèse ne s’intéresse pas aux composants du haut niveau dits “décisionnels” des systèmes robotiques et autonomes. En effet, ces composants sont souvent basés sur des modèles bien définis, même formels, ce qui facilite leur connexion aux méthodes formelles. Le lecteur intéressé peut trouver dans lalittéature de nombreuses contributions y étant pertinentes. Aux limitations décrites précédemment, s’ajoute le problème de l’indécidabilité visà- vis les formalismes et les techniques de vérification. Par example, les travaux comparant les Réseaux de Petri Temporels “à la , Merlin” et les Automates Temporisés, deux formalismes phares de modélisation des systèmes concurrents, demeurent trop formels pour les communautés autres que celle des méthodes formelles. Il existe néanmoins des travaux qui présentent des techniques qui permettent de bénéficier des deux formalismes, bien qu’elles ne soient (i) appliquées qu’à des exemples académiques classiques, loin de la complexité des composants fonctionnels robotiques et autonomes et (ii) restreintes aux classes des réseaux non-interprétés (pas de possibilité d’avoir des données/variables partagées). Nous proposons, dans ce travail de recherche, de connecter GenoM3, un framework de développement et déploiement de composants fonctionnels robotiques, à des langages formels et leurs outils de vérification respectifs. Cette connexion se veut automatique pour pallier aux problème de non portabilité, décrit au paragraphe précédent. GenoM3 offre un mécanisme de synthèse automatique pour assurer l’indépendance des composants du middleware. Nous exploitons ce mécanisme pour développer des templates en mesure de traduire n’importe quelle spécification de GenoM3 en langages formels. Ceci passe par une formalisation de GenoM3: une sémantique formelle opérationnelle est donnée au langage. Une traduction à partir de cette sémantique est réalisée vers des langages formels et prouvée correcte par bisimulation. Nous comparons de différents langages cibles, formalismes et techniques et tirerons les conclusions de cette comparaison. La modélisation se veut aussi, et surtout, efficace. Un modèle correct n’est pas forcément utile. En effet, le passage à l’échelle est particulièrement important. Cette thèse porte donc sur l'applicabilité des méthodes formelles aux composants fonctionnels des systèmes robotiques et autonomes. Le but est d'aller vers des robots autonomes plus sûrs avec un comportement plus connu et prévisible. Cela passe par la mise en place d'un mécanisme de génération automatique de modèles formels à partir de modules fonctionnels de systèmes robotiques et autonomes. Ces modèles sont exploités pour vérifier des propriétés qualitatives ou temps-réel, souvent critiques pour les systèmes robotiques et autonomes considérés. Parmi ces propriétés, on peut citer, à titre d'exemple, l'ordonnançabilité des tâches périodiques, la réactivité des tâches sporadiques, l'absence d’interblocages, la vivacité conditionnée (un évènement toujours finit par suivre un autre), la vivacité conditionnée bornée (un évènement toujours suit un autre dans un intervalle de temps borné), l'accessibilité (des états “indésirables” ne sont jamais atteints), etc. Parmi les défis majeurs freinant l'atteinte de tels objectifs, on cite notamment: - Contrairement aux spécifications décisionnelles, les modules fonctionnels sont décrits dans de langages informels. La formalisation est dure, inévidente, et sujette à des erreurs compte tenu des comportements atypiques qui peuvent se présenter à ce niveau. Cette formalisation est aussi non réutilisable (besoin de re-formaliser pour chaque nouvelle application). Il existe une multitude de techniques de vérification et de formalismes mathématiques pour la modélisation. Le choix n'est pas évident, chaque formalisme et chaque technique présentant des avantages et des inconvénients. La complexité des modules fonctionnels (nombre de composants, mécanismes de communication et d'exécution, contraintes temporelles, etc.) mène à des problèmes sérieux de passage à l'échelle (explosion de l'espace d'états atteignables). - Il existe une déconnexion importante entre les deux communautés (de robotique et de vérification formelle). D'une part, les roboticiens n'ont ni la connaissance ni les moyens (en terme de temps surtout mais aussi de background) de s'investir dans les méthodes formelles, qui sortent de leur domaine. D'autre part, les spécialistes des méthodes formelles restent loin de s'attaquer à des problématiques si complexes faute de connaissances en robotique. Cette thèse tacle la totalité de ces problèmes en proposant une approche de traduction prouvée mathématiquement et automatisée de GenoM vers: - Fiacre/TINA (model checking) - UPPAAL (model checking) - UPPAAL-SMC (statistical model checking) - BIP/RTD-Finder (SAT solving) - BIP/Engine (enforcement de propriétés en ligne) La thèse propose également une analyse du feedback expérimental afin de guider les ingénieurs à exploiter ces méthodes et techniques de vérification efficacement sur les modèles automatiquement générés.

Abstract

The goal of this thesis is to add to the efforts toward the long-sought objective of secure and safe robots with predictable and a priori known behavior. For the reasons given above, formal methods are used to model and verify crucial properties, with a focus on the functional level of robotic systems. The approach relies on automatic generation of formal models targeting several frameworks. For this, we give operational semantics to a robotic framework, then several mathematically proven translations are derived from such semantics. These translations are then automatized so any robotic functional layer specification can be translated automatically and promptly to various frameworks/languages. Thus, we provide a mathematically correct mapping from functional components to verifiable models. The obtained models are used to formulate and verify crucial properties on real-world complex robotic and autonomous systems. This thesis provides also a valuable feedback on the applicability of formal frameworks on real-world, complex systems and experiencebased guidelines on the efficient use of formal-model automatic generators. In this context, efficiency relates to, for instance, how to use the different model checking tools optimally depending on the properties to verify, what to do when the models do not scale with model checking (e.g. the advantages and drawbacks of statistical model checking and runtime verification and when to use the former or the latter depending on the type of properties and the order of magnitude of timing constraints).

Mots-Clés / Keywords
Robotics; Computer science; Software engineering; Formal methods; Verification; Real-time; Robotique; Informatique; Méthode formelle; Vérification; Temps réel;

146855
18599
10/12/2018

Techniques d'optimisation pour la détection et ré-identification de personnes dans un réseau de caméras

FBARBOSA ANDA

RAP, ROC

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 10 Décembre 2018, 162p., Président: L.TAMINE-LECHANI, Rapporteurs: V.T'KINDT, J.M.M.C.PEREIRA BATISTA, Examinateurs: M.BABEL, Directeurs de thèse: C.BRIAND, F.LERASLE , N° 18599

Lien : https://hal.laas.fr/tel-02079969

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Résumé

Cette thèse traite de la détection et de la ré-identification de personnes dans un environnement instrumenté par un réseau de caméras à champ disjoint. Elle est à la confluence des communautés Recherche Opérationnelle et Vision car elle s’appuie sur des techniques d’optimisation combinatoire pour formaliser de nouvelles modalités de vision par ordinateur. Dans ce contexte, un détecteur visuel de personnes, basé sur la programmation linéaire en nombres entiers, est tout d’abord proposé. Son originalité est de prendre en compte le coût de traitement et non uniquement les performances de détection. Ce détecteur est évalué et comparé aux détecteurs de la littérature les plus performants. Ces expérimentations menées sur deux bases de données publiques mettent clairement en évidence l’intérêt de notre détecteur en terme de coût de traitement avec garantie de performance de détection. La seconde partie de la thèse porte sur la modalité de ré-identification de personnes. L’originalité de notre approche, dénommée D-NCR (pour Directed Network Consistent Re-identification), est de prendre explicitement en compte les temps minimum de transit des personnes dans le réseau de caméras et sa topologie pour améliorer la performance de la ré-identification. On montre que ce problème s’apparente à une recherche de chemins disjoints particuliers à profit maximum dans un graphe orienté. Un programme linéaire en nombres entiers est proposé pour sa modélisation et résolution. Les évaluations réalisées sur une base publique d’images sont prometteuses et montrent le potentiel de cette approche.

Mots-Clés / Keywords
Optimisation combinatoire; Détection de personnes; Réidentification de personnes;

146893
18420
04/12/2018

Modélisation 3D et suivi visuel pour caractériser le phénotype de variétés de tournesol

W.GELARD

RAP

Doctorat : 4 Décembre 2018, 153p., Président: F.BARET, Rapporteurs: D.ROUSSEAU, G.RABATEL, Examinateurs: M.DEVY, Directeurs de thèse: A.HERBULOT, P.DEBAEKE , N° 18420

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Abstract

The constant increasing food and energy demand in the world associated to global warming and climate change issues, pushed the researchs in plant breeding to move towards the improvement of crops performance and development of a more sustainable agriculture. To meet these demands, the effort made by the researchers were focused on the development of high-throughput genotyping methods (i.e., the study of genome sequence of plants) and allowed the biologists to indentified the genotypes of a large amount of plants. Moreover, understanding the relationships that link the genotypes (DNA) to the phenotypes (visual characteristics) that evolve according environmental conditions like : light, water, drought, heat, etc. has become a main issue in agricultural research. While the genotyping methods were rapidly improved and automatized during the last decade, the phenotyping methods remain manual, sometimes destructive and non-replicable. The usual phenotyping methods consist to measure certain visual parameters of a plant such as : main stem heigh, number of leaves, leaf initiation angle or leaf area, but more importantly, be able to follow these parameters along the plant growth. Consequently, the number of plants to harvest is very important and the measurements are extremely time-consuming. The emergence and reliability of new technologies in computer vision and robotic have led the researchers to take an interest in them and to seek how they can be used in plant science. The thesis is focused on the design, development and validation of a high-throughput phenotyping method design for sunflower plant with an eye to amplify phenotyping capacities by Agronomists and Geneticists (and later varieties evaluators and seed producers). The aim is to improve, modernize and automatize the current phenotyping methods as a way to help the plant scientists to collect a large amount of data. Motivated by the wish to perform high-throughput plant phenotyping, we propose a 3D approach to automatically extract visual characteristics of sunflower plants grown in pot. First, a 3D point cloud of a plant is acquired with classical SfM techniques. A segmentation step is then proceeded to retrieve the main stem and the leaves. With the intention of following the visual characteristics during the plant growth, especially, the leaf area expansion rate of each leaf, a labelling step relying on the botanical model of a plant is performed to affect them a unique label that will not change over time. Finally, the visual characteristics are extracted and results obtained on sunflower plants demonstrate the efficiency of our method and make it an encouraging step toward high-throughput plant phenotyping.

Résumé

L’augmentation constante de la demande alimentaire et énergétique dans le monde associée au réchauffement et changements climatiques ont poussé les recherches en agronomie vers le développement d’une agriculture plus durable et l’amélioration de la performance des cultures. Pour répondre à ces demandes, les chercheurs ont concentré leurs efforts sur le développement de méthodes de génotypage à haut débit (l’étude de la séquence génomique des plantes) et ont permis aux biologistes d’identifier les génotypes d’une grande quantité de plantes. De plus, comprendre les relations qui lient les génotypes (ADN) aux phénotypes (caractéristiques visuelles) qui évoluent en fonction des conditions d’irrigation, d’illumination ou de température est devenu un enjeu majeur dans la recherche agricole. Alors que les méthodes de génotypage ont été rapidement améliorées et automatisées au cours de la dernière décennie, les méthodes de phénotypage restent manuelles et parfois destructrices. Ces méthodes consistent à mesurer certains paramètres visuels d’une plante telle que : la hauteur de la tige principale, le nombre de feuilles, les angles d’initiation des feuilles ou la surface foliaire et plus important encore, à suivre ces paramètres tout au long de la croissance des plantes. Par conséquent, le nombre de plantes à cultiver est très important et les mesures prennent beaucoup de temps. Avec l’émergence des nouvelles technologies en vision par ordinateur et en robotique, les chercheurs en agronomie y ont vu un intérêt certain en vue d’automatiser la collecte et les mesures des données visuelles sur les plantes. La thèse porte sur la conception, le développement et la validation de traitements haut débit à exécuter automatiquement sur des images acquises sur des plantes de tournesol, en vue d’amplifier les capacités de phénotypage par les chercheurs en agronomie (et ultérieurement les évaluateurs de variétés et les semenciers). L’objectif est la mise au point d’un protocole d’acquisition d’images (en plante isolée) depuis un robot mobile (ou un système d’acquisition autonome) permettant d’améliorer, de moderniser et d’automatiser les méthodes de phénotypage actuelles afin d’aider les chercheurs en agronomie à collecter une grande quantité de données. Motivés par le souhait d’effectuer un phénotypage à haut débit, nous proposons une approche 3D pour extraire automatiquement les caractéristiques visuelles des plantes de tournesol cultivées en pot. Tout d’abord, un nuage de points 3D d’une plante est acquis avec des techniques classiques de SfM. Une étape de segmentation est ensuite effectuée pour extraire la tige principale et les feuilles. Dans le but de suivre les caractéristiques visuelles pendant la croissance des plantes, en particulier, suivre l’expansion foliaire de chaque feuille, une étape de labellisation basée sur le modèle botanique d’une plante est appliquée pour leur affecter une étiquette unique qui ne changera pas avec le temps. Enfin, les caractéristiques visuelles sont extraites et les résultats obtenus sur les plantes de tournesol démontrent l’efficacité de notre méthode et en font une étape encourageante vers le phénotypage haut débit.

Mots-Clés / Keywords
Phénotypage 3D; Tournesols; Reconstruction et Segmentation 3D; 3D Phenotyping; Sunflower plant; 3D Reconstruction and Segmentation;

145595
18607
23/10/2018

Towards New Sensing Capabilities For Legged Locomotion Using Real-Time State Estimation With Low-Cost IMUs

D.ATCHUTHAN

GEPETTO

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 23 Octobre 2018, 175p., Président: D.FILLIAT, Rapporteurs: P.RIVES, S.BONNABEL, Examinateurs: M.KOK, P.WENSING, C.ROUSSILLON, Directeurs de thèse: N.MANSARD, J.SOLA , N° 18607

Lien : https://hal.laas.fr/tel-02088756

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Abstract

Estimation in robotics is an important subject affected by trade-offs between some major critera from which we can cite the computation time and the accuracy. The importance of these two criteria are application-dependent. If the computation time is not important for off-line methods, it becomes critical when the application has to run on real-time. Similarly, accuracy requirements are dependant on the applications. EKF estimators are widely used to satisfy real-time constraints while achieving acceptable accuracies. One sensor widely used in trajectory estimation problems remains the inertial measurement units (IMUs) providing data at a high rate. The main contribution of this thesis is a clear presentation of the preintegration theory yielding in a better use IMUs. We apply this method for estimation problems in both pedestrian and humanoid robots navigation to show that real-time estimation using a lowcost IMU is possible with smoothing methods while formulating the problems with a factor graph. We also investigate the calibration of the IMUs as it is a critical part of those sensors. All the development made during this thesis was thought with a visual-inertial SLAM background as a mid-term perspective. Firthermore, this work tries to rise another question when it comes to legged robots. In opposition to their usual architecture, could we use multiple lowcost IMUs on the robot to get valuable information about the motion being executed?

Mots-Clés / Keywords
Factor Graph; Low-cost IMU; Sensor calibration; Real-time state estimation; SLAM; Pedestrian navigation; IMU preintegration on manifolds; Robot;

146982
18395
15/10/2018

Modèles réduits fiables et efficaces pour la planification et l’optimisation de mouvement des robots à pattes en environnements contraints

P.FERNBACH

GEPETTO

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 15 Octobre 2018, 245p., Président: M.P.CANI, Rapporteurs: L.RIGHETTI, A.KHEDDAR, Examinateurs: J.PETTRE, Directeurs de thèse: M.TAIX, S.TONNEAU , N° 18395

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01947204

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Abstract

The automatic synthesis of movements for legged robots is one of the long standing challenge of robotics, and its resolution is a prior to the safe deployment of robots outside of their labs. In this thesis, we tackle it with a divide and conquer approach, where several smaller sub-problems are identified and solved sequentially to generate motions in a computationally efficient manner. This decoupling comes with a feasibility issue : how can we guarantee that the solution of a sub-problem is a valid input for the next sub-problem ? To address this issue, this thesis defines computationally efficient feasibility criteria, focused on the constraints on the Center Of Mass of the robot. Simultaneously, it proposes a new formulation of the problem of computing a feasible trajectory for the Center Of Mass of the robot, given a contact sequence. This formulation is continuous, as opposed to traditional approaches that rely on a discretized formulation, which can result in constraint violations and are less computationally efficient. This general formulation could be straightforwardly used with any existing approach of the state of the art. The framework obtained was experimentally validated both in simulation and on the HRP-2 robot, and presented a higher success rate, as well as computing performances order of magnitudes faster than the state of the art.

Résumé

La synthèse automatique du mouvement de robots à pattes est un enjeu majeur de la robotique : sa résolution permettrait le déploiement des robots hors de leurs laboratoire. Pour y parvenir, cette thèse suit l’approche "diviser pour régner", où le problème est décomposé en plusieurs sous-problèmes résolus séquentiellement. Cette décomposition amène alors la question nouvelle de la faisabilité : comment garantir que la solution d’un sous-problème, permet la résolutiondes suivants (dont elle sert d’entrée) ? Pour y répondre, cette thèse définit des critères de faisabilités efficaces, qui s’appuient sur la définition des contraintes qui s’appliquent au centre de masse du robot. En parallèle, et de manière plus générale, elle propose une nouvelle formulation du problème du calcul d’une trajectoire valide pour le centre de masse du robot. Cette formulation, continue, présente le double avantage (par rapport aux méthodes discrètes classiques) de garantir la validité de la solution en tous points, tout en améliorant, grâce à une réduction de la dimensionnalité du problème, les performances des algorithmes de l’état de l’art. L’architecture de planification de mouvement résultante a été validée en simulation, ain que sur le robot HRP-2, démontrant ainsi sa supériorité en termes de temps de calcul et de taux de succès par rapport à l’existant.

Mots-Clés / Keywords
Planification de mouvement; Robots à pattes; Multi-contact; Planification kinodynamique; Optimisation; Motion and kinodynamic planning; Legged robots; Optimization;

145394
18421
12/10/2018

Exploitation du retour en force pour l’estimation et le contrôle des robots marcheurs

T.FLAYOLS

GEPETTO

Doctorat : INSA de Toulouse, 12 Octobre 2018, 139p., Président: N.MANSARD, Rapporteurs: L.RIGHETTI, E.YOSHIDA, Examinateurs: V.PADOIS, P.B.WIEBER, Directeurs de thèse: O.STASSE, A.DEL PRETE, Membre invité: S.BORIA , N° 18421

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01975078

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Résumé

Dans cette thèse, on s’intéresse à la commande des robots marcheurs. Contrôler ces systèmes naturellement instables, de dynamique non linéaire, non convexe, de grande dimension, et dépendante des contacts représente un défi majeur en robotique mobile. Les approches classiques formulent une chaîne de contrôle formée d’une cascade de sous problèmes tels que la perception, le planning, la commande du corps complet et l’asservissement articulaire. Les contributions rapportées ici ont toutes pour but d’introduire une rétroaction au niveau de la commande du corps complet ou du planning. Précisément, une première contribution technique est la formulation et la comparaison expérimentale de deux estimateurs de la base du robot. Une seconde contribution est l’implémentation d’un contrôleur par dynamique inverse pour contrôler en couple le robot HRP-2. Une variante de ce contrôleur est aussi formulée et testée en simulation pour stabiliser un robot en contact flexible avec son environnement. Finalement un générateur de marche par commande prédictive et couplé à un contrôleur corps complet est présenté.

Mots-Clés / Keywords
Estimation; Contrôle corps complet; Commande en couple; Commande prédictive; Commande optimale; Générateur de marche; Contact flexible;

145633
18352
10/10/2018

Descriptive and Explanatory Tools for Human Movement and State Estimation in Humanoid Robotics

F.BAILLY

GEPETTO

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 10 Octobre 2018, 168p., Président: J.P.LAUMOND, Rapporteurs: A.IJSPEERT, L.CHEZE, Examinateurs: E.GUIGON, Directeurs de thèse: P.SOUERES, B.WATIER , N° 18352

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01927768

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Abstract

Le sujet principal de cette thèse est le mouvement des systèmes anthropomorphes, et plus particulièrement la locomotion bipède des humains et des robots humanoïdes. Pour caractériser et comprendre la locomotion bipède, il est instructif d’en étudier les causes motrices et les conséquences physiques qui en résultent, que sont les interactions avec l’environnement. Concernant les causes, par exemple, quels sont les principes qui régissent l'organisation des ordres moteurs pour élaborer une stratégie de déplacement spécifique ? Puis, quelles grandeurs physiques pouvons-nous calculer pour décrire au mieux le mouvement résultant de ces commandes motrices ? Ces questions sont en partie abordées par la proposition d’une extension mathématique de l'approche du Uncontrolled Manifold au contrôle moteur de tâches dynamiques puis par la présentation d'un nouveau descripteur de la locomotion anthropomorphe. En lien avec ce travail analytique vient le problème de l'estimation de l'état pour les systèmes anthropomorphes. La difficulté d'un tel problème vient du fait que les mesures apportent un bruit qui n'est pas toujours séparable des données informatives, et que l'état du système n'est pas nécessairement observable. Pour se débarrasser du bruit, des techniques de filtrage classique peuvent être employées, mais elles sont susceptibles d’altérer le contenu des signaux d’intérêt. Pour faire face à ce problème, nous présentons une méthode récursive, basée sur le filtrage complémentaire, pour estimer la position du centre de masse et la variation du moment angulaire d’un système en contact, deux quantités centrales de la locomotion bipède. Une autre idée pour se débarrasser du bruit de mesure est de réaliser qu'il résulte en une estimation irréaliste de la dynamique du système. En exploitant les équations du mouvement, qui dictent la dynami! que temporelle du système, et en estimant une trajectoire plutôt qu’un point unique, nous présentons ensuite une estimation du maximum de vraisemblance en utilisant l'algorithme de programmation différentielle dynamique pour effectuer une estimation optimale de l'état centroidal des systèmes en contact. Finalement, une réflexion pluridisciplinaire est présentée, sur le rôle fonctionnel et computationnel joué par la tête chez les animaux. La pertinence de son utilisation en robotique mobile y est discutée, pour l’estimation d’état et la perception multisensorielle. Le sujet principal de cette thèse est le mouvement des systèmes anthropomorphes, et plus particulièrement la locomotion bipède des humains et des robots humanoïdes. Pour caractériser et comprendre la locomotion bipède, il est instructif d’en étudier les causes motrices et les conséquences physiques qui en résultent, que sont les interactions avec l’environnement. Concernant les causes, par exemple, quels sont les principes qui régissent l'organisation des ordres moteurs pour élaborer une stratégie de déplacement spécifique ? Puis, quelles grandeurs physiques pouvons-nous calculer pour décrire au mieux le mouvement résultant de ces commandes motrices ? Ces questions sont en partie abordées par la proposition d’une extension mathématique de l'approche du Uncontrolled Manifold au contrôle moteur de tâches dynamiques puis par la présentation d'un nouveau descripteur de la locomotion anthropomorphe. En lien avec ce travail analytique vient le problème de l'estimation de l'état pour les systèmes anthropomorphes. La difficulté d'un tel problème vient du fait que les mesures apportent un bruit qui n'est pas toujours séparable des données informatives, et que l'état du système n'est pas nécessairement observable. Pour se débarrasser du bruit, des techniques de filtrage classique peuvent être employées, mais elles sont susceptibles d’altérer le contenu des signaux d’intérêt. Pour faire face à ce problème, nous présentons une méthode récursive, basée sur le filtrage complémentaire, pour estimer la position du centre de masse et la variation du moment angulaire d’un système en contact, deux quantités centrales de la locomotion bipède. Une autre idée pour se débarrasser du bruit de mesure est de réaliser qu'il résulte en une estimation irréaliste de la dynamique du système. En exploitant les équations du mouvement, qui dictent la dynami! que temporelle du système, et en estimant une trajectoire plutôt qu’un point unique, nous présentons ensuite une estimation du maximum de vraisemblance en utilisant l'algorithme de programmation différentielle dynamique pour effectuer une estimation optimale de l'état centroidal des systèmes en contact. Finalement, une réflexion pluridisciplinaire est présentée, sur le rôle fonctionnel et computationnel joué par la tête chez les animaux. La pertinence de son utilisation en robotique mobile y est discutée, pour l’estimation d’état et la perception multisensorielle.

Abstract

The substantive subject of this thesis is the motion of anthropomorphic systems, and more particularly the bipedal locomotion of humans and humanoid robots. To characterize and understand bipedal locomotion, it is instructive to study its motor causes and its resulting physical consequences, namely, the interactions with the environment. Concerning the causes, for instance, what are the principles that govern the organization of motor orders in humans for elaborating a specific displacement strategy? And then, which physical quantities can we compute for best describing the motion resulting from these motor orders ? These questions are in part addressed by the proposal of a mathematical extension of the Uncontrolled Manifold approach for the motor control of dynamic tasks and through the presentation of a new descriptor of anthropomorphic locomotion. In connection with this analytical work, comes the problem of state estimation in anthropomorphic systems. The difficulty of such a problem comes from the fact that the measurements carry noise which is not always separable from the informative data, and that the state of the system is not necessarily observable. To get rid of the noise, classical filtering techniques can be employed but they are likely to distort the signals. To cope with this issue, we present a recursive method, based on complementary filtering, to estimate the position of the center of mass and the angular momentum variation of the human body, two central quantities of human locomotion. Another idea to get rid of the measurements noise is to acknowledge the fact that it results in an unrealistic estimation of the motion dynamics. By exploiting the equations of motion, which dictate the temporal dynamics of the system, and by estimating a trajectory versus a single point, we then present maximum likeli! hood estimation using the dynamic differential programming algorithm to perform optimal centroidal state estimation for systems in contact. Finally, a multidisciplinary reflection on the functional and computational role played by the head in animals is presented. The relevance of using this solution in mobile robotics is discussed, particularly for state estimation and multisensory perception.

Mots-Clés / Keywords
humanoid robotics; Biomechanics; Locomotion; State estimation; Motor control; Robotique humanoide; Biomécanique; Contrôle moteur;

145095
18492
13/07/2018

Theory and Applications for Control and Motion Planning of Aerial Robots in Physical Interaction with particular focus on Tethered Aerial Vehicles

M.TOGNON

RIS

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 13 Juillet 2018, 269p., Président: , Rapporteurs: P.MORIN, A.DE LUCA, Examinateurs: A.OLLERO, C.CUMER, Directeurs de thèse: A.FRANCHI, J.CORTES, Membre invité: S.LACROIX , N° 18492

Lien : https://hal.laas.fr/tel-02003048

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Résumé

Le sujet principal de cette thèse est l’étude des robots aériens autonomes interagissant avec l’environnement. Plus précisement, ce travail porte sur la conception de nouvelles méthodes de commande et de planification de mouvement pour ces robots. De nos jours, les véhicules aériens autonomes sont de plus en plus utilisés dans de nombreux domaines d’application, mais le plus souvent comme des senseurs mobiles autonomes, cantonnés à l’acquisition de données sur l’environnement. Le défi majeur dans le domaine de l’interaction physique aérienne, est donc aujourd’hui d’aller au-delà de cette application limitée et d’exploiter entièrement les capacités des robots aériens pour qu’ils puissent réellement interagir avec l’environnement (par exemple avec un échange de forces pour pousser, tirer et manipuler des objets). Néanmoins, vue la nature différente des problèmes liés à l’interaction physique aérienne, de nouvelles méthodes de commande sont nécessaires. Elles doivent assurer la stabilité du système pendant l’interaction, mais aussi être robustes visa- vis de perturbations externes, permettant finalement au robot d’assurer la tâche qui lui est assignée. De ce fait, ingénieurs et chercheurs doivent faire face à de nouveaux défis en raison de la grande complexité des manipulateurs aériens, comme par exemple le grand nombre de degrés de liberté, les fortes non-linéarités et les limitations des actionneurs. En outre, les trajectoires des robots aériens doivent être soigneusement calculées en utilisant des techniques de planification des mouvements, afin d’exécuter la tâche souhaitée de façon sûre, en évitant les obstacles et en tenant compte de la dynamique du système et ses limites d’actionnement. Pour atteindre les objectifs précédemment mentionnés, cette thèse considère l’analyse d’une classe spécifique de systèmes aériens interagissant avec l’environnement : les véhicules aériens attachés avec des câbles ou des barres. L’étude de ces systèmes particuliers, qui englobent tous les défis du problème général, aide à acquérir les connaissances et l’expertise pour le développement de méthodes plus générales qui pourront être appliquées à l’interaction physique aérienne. Ce travail se concentre sur l’analyse formelle et minutieuse des véhicules aériens attachés, de la commande et de l’estimation d’état à la planification du mouvement. Nous avons notamment étudié les propriétés de platitude différentielle, trouvant deux sorties plates possibles qui révèlent de nouvelles capacités de tel systèmes. La première sortie plate contient la position du véhicule et la force interne du lien, tandis que la deuxième contient la position et une variable liée à l’attitude du véhicule. Ceci montre de nouvelles capacités de commande et d’interaction physiques, différentes de celles des robots aériens en vol libre. Sur la base de ces résultats, nous avons conçu deux types de contrôleurs. Le premier est un contrôleur basé sur une approche hiérarchique facile à implémenter. Il est performant dans des conditions quasi-statiques, mais présente une augmentation de l’erreur de suivi lorsqu’il suit une trajectoire dynamique. Pour faire face au problème de suivi nous avons donc conçu un deuxième contrôleur plus adapté, basé sur la technique de linéarisation dynamique du feedback. Deux observateurs, respectivement pour les environnements 3D et 2D, ont été conçus afin de fermer la boucle de commande avec une configuration sensorielle minimale. Nous avons montré que le lien physique permet d’obtenir une estimation de l’état du système en utilisant seulement un IMU(centrale inertielle) et trois encodeurs pour le cas 3D, tandis que, pour le cas 2D, il suffit d’un IMU. Une partie de ces résultats ont été étendus à un système multi-robot composé par deux robots aériens liés au sol et entre eux. Les résultats théoriques sur les véhicules aériens attachés par des câbles ou des barres ont été ensuite employés pour résoudre le problème pratique de l’atterrissage et du décollage sur/de une surface inclinée, en améliorant la robustesse et la fiabilité de ces manoeuvres par rapport aux conditions en vol libre. En plus, motivé par l’intérêt pour l’interaction physique aérienne de A à Z, nous avons abordé des problèmes supplémentaires : i) Conception de nouveaux véhicules aériens avec poussée omnidirectionelle qui se révèlent plus adaptés à l’interaction physique : nous avons proposé un algorithme pour obtenir un design optimal présentant des propriétés équivalentes de poussée omnidirectionnelle en utilisant seulement des propulseurs unidirectionnels fixes. Nous avons aussi conçu un contrôleur pour ces véhicules qui intègre l’unidirectionnalité des propulseurs ; ii) la manipulation d’une charge suspendue par des câbles : nous avons proposé une stratégie de contrôle sans aucune communication explicite entre les robots, qui garantit la stabilité et la passivité du système ; iii) La commande de manipulateurs aériens à poussée unidirectionnelle : nous avons proposé un contrôleur décentralisé basé sur la platitude différentielle pour un manipulateur aérien à poussée unidirectionnelle et protocentric équipé d’un certain nombre de bras articulés ; iv) Planification du mouvement pour des manipulateurs aériens : nous avons proposé un planificateur ‘control-aware’ du mouvement basé sur le paradigme d’unification de la commande et de la planification, pour des manipulateurs aériens interagissant avec l’environnement ; v) tâches de ’push-and-slide’ avec des manipulateurs aériens : pour un manipulateur aérien redondant basé sur un véhicule aérien à poussée multidirectionelle, nous avons développé un contrôleur qui, en combinaison avec le planificateur de mouvement cité précédemment, permet d’effectuer des opérations ‘pushand- slide’. Comme résultat de la conception mécanique optimale du contrôleur et du planificateur de mouvement, le système aérien a été intégré avec un capteur afin de réaliser une inspection réelle d’un tuyau métallique.

Abstract

This thesis focuses on the study of autonomous aerial robots interacting with the surrounding environment, and in particular on the design of new control and motion planning methods for such systems. Nowadays, autonomous aerial vehicles are extensively employed in many fields of application but mostly as autonomously moving sensors used only to sense the environment. On the other hand, in the recent field of aerial physical interaction, the goal is to go beyond sensing-only applications and to fully exploit aerial robots capabilities in order to interact with the environment, exchanging forces for pushing/pulling/sliding, and manipulating objects. However, due to the different nature of the problems, new control methods are needed. These methods have to preserve the system stability during the interaction and to be robust against external disturbances, finally enabling the robot to perform a given task. Moreover, researchers and engineers need to face other challenges generated by the high complexity of aerial manipulators, e.g., a large number of degrees of freedom, strong nonlinearities, and actuation limits. Furthermore, trajectories of the aerial robots have to be carefully computed using motion planning techniques. To perform the sough task in a safe way, the planned trajectory must avoid obstacles and has to be suitable for the dynamics of the system and its actuation limits. With the aim of achieving the previously mentioned general goals, this thesis considers the analysis of a particular class of aerial robots interacting with the environment: tethered aerial vehicles. The study of particular systems, still encapsulating all the challenges of the general problem, helps on acquiring the knowledge and the expertise for a subsequent development of more general methods applicable to aerial physical interaction. This work focuses on the thorough formal analysis of tethered aerial vehicles ranging from control and state estimation to motion planning. In particular, the differential flatness property of the system is investigated, finding two possible sets of flat outputs that reveal new capabilities of such a system. One contains the position of the vehicle and the link internal force (equivalently the interaction force with the environment), while the second contains the position and a variable linked to the attitude of the vehicle. This shows new control and physical interaction capabilities different from standard aerial robots in free-flight. In particular, the first set of flat outputs allows realizing one of the first “free-floating” versions of the classical hybrid force-motion control for standard grounded manipulators. Based on those results we designed two types of controllers. The first is an easyto- implement controller based on a hierarchical approach. Although it shows good performance in quasi-static conditions, actually the tracking error increases when tracking a dynamic trajectory. Thus, a second controller more suited for tracking problems has been designed based on the dynamic feedback linearization technique. Two observers, for the 3D and 2D environments, respectively, have been designed ii in order to close the control loop using a minimal sensorial setup. We showed that the tether makes possible to retrieve an estimation of the full state from only an IMU plus three encoders for the 3D case, while from just an IMU for the 2D case. Parts of those results were extended to a novel and original multi-robots case as well. We considered a multi-tethered system composed of two aerial robots linked to the ground and to each other by two links. The theoretical results on generic tethered aerial vehicles were finally employed to solve the practical and challenging problem of landing and takeoff on/from a sloped surface, enhancing the robustness and reliability of the maneuvers with respect to the free-flight solution. In addition, moved by the interest on aerial physical interaction from A to Z, supplementary problems related to the topic have been addressed as: i) Design of new omnidirectional-thrust aerial vehicles more suited for physical interaction: we proposed an algorithm to obtain an optimal design that is omnidirectional-thrust using only fixed unidirectional thrusters. We also designed a controller for such vehicle that respects the unidirectionality of the thrusters; ii) Cable suspended load manipulation: we proposed a communication-less control strategy for a team of two robots manipulating an object that guarantees the stability and passivity of the system; iii) Control for unidirectional-thrust aerial manipulators: we proposed a flatnessbased decentralized controller for protocentric unidirectional-thrust aerial manipulators endowed with any number of articulated arms; iv) Motion planning for aerial manipulators: we proposed a control-aware motion planner based on the paradigm of control and planning tied together, for aerial manipulators in interaction with the environment; v) Push-and-slide tasks with an aerial manipulator: considering a truly redundant aerial manipulator based on a multidirectional-thrust aerial vehicle, we designed a controller that, together with the previously mentioned planner, allows the operation of push-and-slide tasks. Such a complete aerial system, result of a wise design of the mechanical system and its controller and motion planner, has been integrated with a sensory suit and used for a real contactbased inspection of a metallic pipe.

Mots-Clés / Keywords
Aerial robots; Aerial physical interaction; Tethered aerial vehicles; Control; Motion planning; Aerial manipulation; Aerial manipulation by cables; Multidirectional- thrust aerial vehicles; Robots aériens; Interaction physique aérienne; Véhicules aériens attachés par des câbles; Commande; Planification du mouvement; Manipulation aérienne; Manipulation aérienne via des câbles; Véhicules aériens à poussée multidirectionnelle;

145985
18197
23/04/2018

Optimal control and machine learning for humaoid and aerial robots

M.GEISERT

GEPETTO

Doctorat : INSA de Toulouse, 23 Avril 2018, 185p., Président: J.CORTES, Rapporteurs: P.Y.OUDEYER, K.LIU, Examinateurs: J.BUCHLI, S.DONCIEUX, Directeurs de thèse: N.MANSARD , N° 18197

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01886622

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Résumé

Quelle sont les points communs entre un robot humanoïde et un quadrimoteur ? Et bien, pas grand-chose... Cette thèse s’intéresse donc au développement d’algorithmes permettant de contrôler un robot de manière dynamique tout en restant générique par rapport au model du robot et à la tâche que l’on cherche à résoudre. Le contrôle optimal numérique est pour cela un bon candidat. Cependant il souffre de plusieurs difficultés comme un nombre important de paramètres à ajuster et des temps de calcul relativement élevés. Cette thèse présente alors plusieurs améliorations permettant dâAZatténuer ces difficultés. D’un côté, l’ordonnancement des différentes tâches sous la forme d’une hiérarchie et sa résolution avec un algorithme adapté permet de réduire le nombre de paramètres à ajuster. D’un autre côté, l’utilisation de l’apprentissage automatique afin d’initialiser l’algorithme d’optimisation ou de générer un modèle simplifié du robot permet de fortement diminuer les temps de calcul.

Abstract

What are the common characteristics of humanoid robots and quadrotors? Well, not many... Therefore, this document is focused on the development of algorithms allowing to dynamically control a robot while staying generic with respect to the model of the robot and the task that needs to be solved. Numerical optimal control is good candidate to achieve such objective. However, it suffers from several difficulties such as a high number of parameters to tune and a relatively important computation time. This document presents several ameliorations allowing to reduce these problems. On one hand, the tasks can be ordered according to a hierarchy and solved with an appropriate algorithm to lower the number of parameters to tune. On the other hand, machine learning can be used to initialize the optimization solver or to generate a simplified model of the robot, and therefore can be used to decrease the computation time.

Mots-Clés / Keywords
Optimal control; Hierarchical control; Machine learning; Motion planning; Humanoid robots; Aerial robots; Contrôle optimal; Contrôle hiérarchique; Apprentissage automatique; Plannification de mouvement; Robots humanoïdes; Robots aériens;

144093
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