Architectures de contrôle pour la robotique - Approches et tendances

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.