Models and algorithms for heterogeneous multi-robot systems : applied to patrolling and target tracking

La détection et le suivi de cibles sont des missions fréquentes pour la robotique mobile, que le contexte soit civil, industriel ou militaire. Ces applications constituent un domaine de choix pour la planification multirobot, et sont abordées par de multiples communautés selon différents points de vue. Nous proposons dans un premier temps une taxonomie commune qui permetde regrouper et de comparer les différentes approches de ces problèmes, afin de mieux les analyser et de mettre en évidence leurs lacunes respectives. En particulier, on note la faible représentativité des modèles exploités, peu expressifs : la plupart des algorithmes évoluent dans un monde en deux dimensions où les observations et le déplacement sont conditionnés par lesmêmes obstacles. Ces modèles éloignés de la réalité nous semblent trop restrictifs pour pleinement exploiter la synergie des équipes multirobot hétérogènes : nous proposons une organisation des différents modèles nécessaires, en explicitant une séparation claire entre modèles et algorithmes de planification. Cette organisation est concrétisée par une librairie qui structure lesmodèles disponibles et définit les requêtes nécessaires aux algorithmes de planification. Dans un second temps, nous proposons un ensemble d’algorithmes utilisant les modèles définis précédemment pour planifier des missions de patrouille de zones et de poursuite de cibles. Ces algorithmes s’appuient sur un formalisme mathématique rigoureux afin d’étudier l’impact des modèlessur les performances. Nous analysons notamment l’impact sur la complexité – c’est-à-dire en quoi des modèles plus élaborés impactent la complexité de résolution – et sur la qualité des solutions résultantes, indépendamment des modèles, selon des métriques usuelles. D’une manière plus générale, les modèles sont un lien essentiel entre l’Intelligence Artificielle et la Robotique : leur enrichissement et leur étude approfondie permettent d’exhiber des comportements plus efficaces pour la réussite des missions allouées aux robots. Cette thèse contribue à démontrer l’importance des modèles pour la planification et la conduite de mission multirobots.Detecting, localizing or following targets is at the core of numerous robotic applications in industrial, civilian and military application contexts. Much work has been devoted in various research communities to planning for such problems, each community with a different standpoint. Our thesis first provides a unifying taxonomy to go beyond the frontiers of specific communities and specific problems, and to enlarge the scope of prior surveys. We review various work related to each class of problems identified in the taxonomy, highlighting the different approaches, models and results. This analysis specifically points out the lack of representativityof the exploited models, which are in vast majority only 2D single-layer models where motion and sensing are mixed up. We consider those unrealistic models as too restrictive to handle the full synergistic potential of an heterogeneous team of cooperative robots. In response to this statement, we suggest a new organisation of the necessary models, stating clearly the links and separation between models and planning algorithms. This has lead to the development of a C++ library that structures the available models and defines the requests required by the planning process. We then exploit this library through a set of algorithms tackling area patrolling and target tracking. These algorithms are supported by a sound formalism and we study the impact of the models on the observed performances, with an emphasis on the complexity and the quality of the resultingsolutions. As a more general consideration, models are an essential link between Artificial Intelligence and applied Robotics : improving their expressiveness and studying them rigorously are the keys leading toward better robot behaviours and successful robotic missions. This thesis help to show how important the models are for planning and other decision processes formulti-robot missions