Article

1 - PARADIGMES DE CONCEPTION DES ARCHITECTURES DE CONTRÔLE

2 - DESCRIPTION DE QUELQUES ARCHITECTURES DE CONTRÔLE

3 - DÉVELOPPEMENT DES ARCHITECTURES DE CONTRÔLE

4 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : S7791 v1

Architectures de contrôle pour la robotique - Approches et tendances

Auteur(s) : Robin PASSAMA, David ANDREU, Didier CRESTANI, Karen GODARY-DEJEAN

Date de publication : 10 sept. 2014

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RÉSUMÉ

Longtemps la face cachée de la robotique, l’intégration logicielle des fonctionnalités du robot devient une problématique centrale pour la future industrie de la robotique de service (médicale, d'assistance, etc.). Celle-ci s'organise autour de l'architecture logicielle de contrôle du robot. L'état des lieux, exposé dans cet article, témoigne d’une grande diversité d’approches pour concevoir et développer de telles architectures. Néanmoins, la tendance actuelle privilégie les approches basées sur les composants logiciels et l'utilisation, pour leur programmation, de middleware dédiés au domaine. L'article présente donc des middleware de référence ou au contraire originaux, compare globalement leurs propriétés et en évoque les limites en présentant les solutions émergentes basées sur la montée en abstraction via l'utilisation de l'ingénierie dirigée par les modèles et des langages dédiés. Cette analyse nous permettra d'identifier les caractéristiques exigées pour amener l’intégration logicielle en robotique à une maturité comparable à celle de l'électronique.

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ABSTRACT

Software integration, which has long been the hidden side of robotics, becomes a central issue to reach industry requirements, notably for service robotics. This software integration is organized around the robot’s software control architecture. The state of the art, exposed in this article, reflects a wide range of approaches in designing and implementing this kind of software architectures. Nevertheless, the current trend favours component-based approaches and robotics dedicated middleware - based implementation. Several middleware are briefly presented, from reference to original ones, and compared according to their properties and technical characteristics. Identified limitations show that some aspects should be dealt with at a higher level of abstraction, as suggested by model driven engineering and dedicated domain specific languages. This short survey will lead to identify mandatory characteristics to reach software integration in robotics as mature as electronics integration.

Auteur(s)

  • Robin PASSAMA : Ingénieur de recherche CNRS - Laboratoire d’informatique, de robotique et de microélectronique de Montpellier (LIRMM)

  • David ANDREU : Maître de conférences - LIRMM, université Montpellier 2

  • Didier CRESTANI : Professeur - LIRMM, université Montpellier 2

  • Karen GODARY-DEJEAN : Maître de conférences - LIRMM, université Montpellier 2

INTRODUCTION

La robotique est par essence multidisciplinaire, traitant dès leur origine des problèmes couplant mécanique, automatique, électronique, informatique, etc. sans omettre ceux relatifs au domaine d’application lui-même. Elle doit ses progrès aux avancées réalisées dans chaque discipline ainsi qu’à leur croisée. Les robots sont des entités technologiques de plus en plus complexes auxquelles sont confiées des missions toujours plus compliquées, relevant d’une multitude de domaines applicatifs. Les spécificités des divers domaines d’application et des grandes catégories de robots (robotique terrestre, sous-marine, aérienne) sont souvent à l’origine de solutions différentes. Certaines applications vont requérir une réactivité importante et des capacités décisionnelles moindres, d’autres auront des besoins de planification importants, etc.

Cette complexité induit de nombreuses exigences, notamment sur l’informatique censée gérer le fonctionnement du robot et supporter ses capacités d’action, d’adaptation, de décision, etc., cette « intelligence » que lui confère son contrôle. C’est donc de l’architecture logicielle de contrôle, c'est-à-dire la manière dont est conçu et développé le logiciel chargé du contrôle du robot, dont nous allons discuter dans cet article.

Ces architectures logicielles se distinguent par le besoin de prendre en compte tout un spectre de fonctions allant de calculs délibératifs, très gourmands en temps et en espace, jusqu’au contrôle en temps réel de dispositifs physiques. Organiser ces « fonctions », les mettre en relation requiert un niveau d'expertise élevé. C'est pourquoi des solutions générales ont initialement été proposées sous la forme de « modèles architecturaux ». Les modèles architecturaux classiquement admis seront présentés, sachant qu’ils sont encore soumis à évolution pour intégrer la variété de schémas relationnels qui donnent une dimension unique à ces architectures. En effet, le robot immergé dans son environnement est aussi sujet à des relations homme-robot (autonomie décisionnelle partagée), robot-robot (flottille) ou encore robot-environnement actif (capteurs de l’habitat et routes intelligentes par exemple) qui, déclinées sur le plan des architectures de contrôle, nécessitent de considérer les relations dynamiques qui peuvent s’instaurer.

Si le modèle architectural guide dans la manière de structurer une architecture, il reste à définir comment la décrire et la mettre en œuvre. Avec la croissance de la complexité des architectures logicielles robotiques et l’explosion de la diversité toujours plus grande des applications et des missions, la conception et le développement d’architectures logicielles performantes et correctes devient un enjeu majeur. Il n’y a à ce jour aucune approche communément admise pour capitaliser et mutualiser les connaissances et les bonnes pratiques et pour réutiliser les briques logicielles développées. L’état des lieux que nous allons dresser témoigne de la diversité des propositions, révélant l’influence des cultures initiales des concepteurs, plus robotique, automatique ou informatique. Dans tous les cas, ces propositions visent, avec plus ou moins de succès, à définir comment décrire et encapsuler les diverses fonctions que le robot doit assurer sous la forme d'un ensemble d'entités logicielles en interaction. Ce faisant, l'objectif est de conférer à la solution des propriétés de modularité, de portabilité, de réutilisabilité, etc.

Décrire l’architecture logicielle n’est pas suffisant car il faut ensuite l'implémenter, la déployer et l’exécuter. Implémenter l’architecture logicielle et la déployer sur une cible d’exécution, tout en maîtrisant les contraintes logiques et temporelles de l’exécution typiques des systèmes réactifs, conduisent à considérer les contraintes provenant de la plate-forme (matérielle, système d'exploitation, langages de programmation) sous-jacente. Construire des architectures pérennes, réutilisables et adaptables pour une grande variété de plates-formes et de composants physiques (capteurs, actionneurs, mais aussi processeurs, réseaux, et autres matériels parfois spécifiques à la robotique) constitue un défi important. Nous évoquerons dès lors, à travers la présentation des approches récentes, les intergiciels (appelés « middleware ») pour les architectures de contrôle robotiques tant leur rôle peut être primordial à ces égards.

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KEYWORDS

Robotics   |   Software architecture   |   Control   |   Control architecture   |   Component   |   Middleware

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-s7791


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BIBLIOGRAPHIE

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