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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes
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735documents trouvés

18286
20/05/2019

Dynamics Consensus between Centroidal and Whole-Body Models for Locomotion of Legged Robots

R.BUDHIRAJA, J.CARPENTIER, N.MANSARD

GEPETTO

Manifestation avec acte : IEEE International Conference on Robotics and Automation ( ICRA ) 2019 du 20 mai au 24 mai 2019, Montreal (Canada), Mai 2019, 7p. , N° 18286

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01875031

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Abstract

It is nowadays well-established that locomotion can be written as a large and complex optimal control problem. Yet, current knowledge in numerical solver fails to directly solve it. A common approach is to cut the dimensionality by relying on reduced models (inverted pendulum, capture points, centroidal). However it is difficult both to account for whole-body constraints at the reduced level and also to define what is an acceptable trade-off at the whole-body level between tracking the reduced solution or searching for a new one. The main contribution of this paper is to introduce a rigorous mathematical framework based on the Alternating Direction Method of Multipliers, to enforce the consensus between the centroidal state dynamics at reduced and whole-body level. We propose an exact splitting of the whole-body optimal control problem between the centroidal dynamics (under-actuation) and the manipulator dynamics (full actuation), corresponding to a rearrangement of the equations already stated in previous works. We then describe with details how alternating descent is a good solution to implement an effective locomotion solver. We validate this approach in simulation with walking experiments on the HRP-2 robot.

147016
18334
01/03/2019

Hyper-parameter optimization tools comparison for Multiple Object Tracking applications

J.MADRIGAL DIAZ, C.MAURICE, F.LERASLE

RAP

Revue Scientifique : Machine Vision and Applications, Vol.30, N°2, pp.269-289, Mars 2019, doi 10.1007/s00138-018-0984-1 , N° 18334

Lien : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01897032

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Abstract

Commonly, when developing an algorithm it is necessary to define a certain number of variables that control its behavior. Optimal parameters result in better performance that could translate into profits for companies, stand out among similar applications or better ranking on algorithm competitions. However, it is not a simple task to find the combination of parameters that provides the best results. Manual tuning could be a stressful and difficult task even for expert users. In this paper we present, evaluate and compare several tools in the literature for hyper-parameter optimization. We focus on 4 tools that have been selected due to their number of citations, code availability and impact on literature: MCMC, SMAC, TPE and Spearmint. We analyze these tools in the context of Multi Object Tracking (MOT) that have not been well studied in the literature. MOT itself has been well-studied topic with multiple parameters to be tuned. We evaluate these tools using public benchmarks such as PETS09 or ETH and using the publicly available source code provided by the authors. We analyze the impact of these tools in terms of stability, performance, and usabil-ity, among others. Our results show how the use of these tools change the performance of the application and how this would affect the results of real ranked competitions. Our goal is (1) to encourage the reader to use these tools and (2) to provide a guide that helps to choose the most pertinent tool.

144949
18353
26/02/2019

A Truly Redundant Aerial Manipulator System with Application to Push-and-Slide Inspection in Industrial Plants

M.TOGNON, H.TELLO CHAVEZ, E.GASPARIN, Q.SABLE, D.BICEGO, A.MALLET, M.LANY, G.SANTI, B.REVAZ, J.CORTES, A.FRANCHI

RIS, Sensima Inspection, IDEA

Revue Scientifique : IEEE Robotics and Automation Letters, Février 2019, DOI 10.1109/LRA.2019.2895880 , N° 18353

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01910343

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Abstract

We present the design, control and motion planning of an aerial manipulator for a non-trivial physical interaction task, namely pushing while sliding on curved surfaces. The proposed robotic system is motivated by the increasing interest on autonomous Non-Destructive Tests used for the integrity assessment of industrial plants. The proposed aerial manipulator consists of a multidirectional-thrust aerial vehicle to enhance physical interaction capabilities, endowed with a 2-DoFs lightweight arm to enlarge its workspace. This combination constitutes a truly redundant manipulator that goes beyond standard aerial manipulators with collinear multirotors. The robot controller is based on a PID method with 'displaced' positional part inspired by controllers for manipulators with elastic joints and grounded on several experimental trial-and-error tests. In this work we experimentally show that the proposed aerial manipulator system, equipped with an Eddy Current probe, is able to scan a metallic pipe sliding the sensor over its surface and preserving the contact. From the acquired data, a weld on the pipe is successfully detected and mapped.

146705
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
18288
15/01/2019

The Pinocchio C++ library – A fast and flexible implementation of rigid body dynamics algorithms and their analytical derivatives

J.CARPENTIER, G.SAUREL, G.BUONDONNO, J.MIRABEL, F.LAMIRAUX, O.STASSE, N.MANSARD

GEPETTO

Manifestation avec acte : IEEE/SICE International Symposium on System Integration ( SII ) 2019 du 14 janvier au 16 janvier 2019, Paris (France), Janvier 2019, 6p. , N° 18288

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01866228

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Abstract

We introduce Pinocchio, an open-source software framework that implements rigid body dynamics algorithms and their analytical derivatives. Pinocchio does not only include standard algorithms employed in robotics (e.g. forward and inverse dynamics) but provides additional features essential for the control, the planning and the simulation of robots. In this paper, we describe these features and detail the programming patterns and design which make Pinocchio efficient. We also offer a short tutorial for easy handling of the framework.

145395
18101
01/01/2019

An overview of humanoid robots technologies

O.STASSE, T.FLAYOLS

GEPETTO

Ouvrage (contribution) : Biomechanics of Anthropomorphic Systems, Springer, N°ISBN 978-3-319-93870-7, Vol.281, N°310, Janvier 2019 , N° 18101

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01759061

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Abstract

Humanoid robots are challenging mechatronics structures with several interesting features. Choosing a humanoid robot to develop applications or pursue research in a given direction might be difficult due to the strong interdependence of the technical aspects. This paper aims at giving a general description of this interdependence and highlight the lessons learned from the impressive works conducted in the past decade. The reader will find in the annex a table synthesizing the characteristics of the most relevant humanoid robots. Without focusing on a specific application we consider two main classes of humanoid robots: the ones dedicated to industrial application and the ones dedicated to human-robot interaction. The technical aspects are described in a way which illustrates the humanoid robots bridging the gap between these two classes. Finally this paper tries to make a synthesis on recent technological developments 1. 1 Mechanical structure 1.1 General design principal Humanoid robots are complex mechatronic systems. As such, it is necessary to consider the the mechanical structure, the computational system and the algorithms as a whole and for a given application. The robot's size, weight and strength are important factors when designing its structure. Let us consider two general classes of applications: physical performances while doing motion generation and validation of biological and/or cognitive models. The ATLAS robot from Boston Dynamics is an example of the first category, while the Kenshiro robot [45] from Tokyo University is an example of the second category

144064
17709
01/01/2019

Spatiotemporal Optimization for Rolling Shutter Camera Pose Interpolation

P.A.GOHARD, B.VANDEPORTAELE, M.DEVY

RAP

Ouvrage (contribution) : Computer Vision, Imaging and Computer Graphics – Theory and Applications, Springer, N°ISBN 978-3-030-12208-9, Janvier 2019, pp.154-175 , N° 17709

Lien : https://hal.laas.fr/hal-02049412

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Abstract

Rolling Shutter cameras are predominant in the tablet and smart-phone market due to their low cost and small size. However, these cameras require specific geometric models when either the camera or the scene is in motion to account for the sequential exposure of the different lines of the image. This paper proposes to improve a state-of-the-art model for RS cameras through the use of Non Uniformly Time-Sampled B-splines. This allows to interpolate the pose of the camera while taking into account the varying dynamic of its motion, using higher density of control points where needed while keeping a low number of control points where the motion is smooth. Two methods are proposed to determine adequate distributions for the control points, using either an IMU sensor or an iterative reprojection error minimization. The non-uniform camera model is integrated into a Bundle Adjustment optimization which is able to converge even from a poor initial estimate. A routine of spatiotempo-ral optimization is presented in order to optimize both the spatial and temporal positions of the control points. Results on synthetic and real datasets are shown to prove the concepts and future works are introduced that should lead to the integration of our model in a SLAM algorithm.

147001
18427
21/12/2018

A Novel Experimental Model and a Drag-optimal Allocation Method for Variable-Pitch Propellers in Multirotors

V.ARELLANO, E.A.MERCHAN-CRUZ, A.FRANCHI

IPN Mexique, RIS

Revue Scientifique : IEEE Access, pp.68155-68168, Décembre 2018 , N° 18427

Lien : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01940465

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Abstract

This paper proposes a new mathematical model to map the rotational speed and angle of attack (pitch) of small-size propellers typically used in multirotors and the aerodynamic thrust force and drag moment produced by the propeller itself. The new model is inspired by standard models using the blade-element and momentum theories, which have been suitably modified in order to allow for explicit fast computation of the direct and inverse map (useful for high-frequency control) and obtain a better adherence to experimental data. The new model allows and captures all the main nonlinear characteristics of the thrust/drag generation. An extensive experimental comparison shows that the prediction capability of the proposed model outperforms the most commonly used models at date. In the second part of the paper, two optimization methods are proposed in order to exploit the redundancy of the inputs of variable-pitch propellers to decrease the power consumption due to the drag dissipation. The first method deals with the optimal allocation for thrust generation on a single propeller, while the second method is aimed at solving the optimal allocation of the rotational speed and pitch of all the propellers in a multi-rotor with any number of propellers. Simulations results show the viability and effectiveness of the proposed methods

145730
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

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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
18417
11/12/2018

The Tele-MAGMaS: An Aerial-Ground Comanipulator System

N.STAUB, M.MOHAMMADI, D.BICEGO, Q.DELAMARE, H.YANG, D.PRATTICHIZZO, P.R.GIORDANO, D.LEE, A.FRANCHI

RIS, University of Siena, IRISA, Seoul, IIT, Genova, INRIA Rennes

Revue Scientifique : IEEE Robotics and Automation Magazine, 10p., Décembre 2018, DOI 10.1109/MRA.2018.2871344 , N° 18417

Lien : https://hal.inria.fr/hal-01935127

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145549
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