Temporal and hierarchical models for planning and acting in robotics
Modèles temporels et hiérarchiques pour la planification et l'action en robotique
Résumé
The field of AI planning has seen rapid progress over the last decade and planners are now able to find plans with hundreds of actions in a matter of seconds. Despite those important progresses, robotic systems still tend to have a reactive architecture with very little deliberation on the course of the plan they might follow. In this thesis, we argue that a successful integration with a robotic system requires the planner to have capacities for both temporal and hierarchical reasoning. The former is indeed a universal resource central in many robotic activities while the latter is a critical component for the integration of reasoning capabilities at different abstraction levels, typically starting with a high level view of an activity that is iteratively refined into motion primitives. As a first step to carry out this vision, we present a model for temporal planning unifying the generative and hierarchical approaches. At the center of the model are temporal action templates, complemented with a specification of the initial state as well as the expected evolution of the environment over time. In addition, our model allows for the specification of hierarchical knowledge possibly with a partial coverage. Consequently, our model generalizes the existing generative and hierarchical approaches together with an explicit time representation. In the second chapter, we introduce a planning procedure suitable for our planning model. In order to support hierarchical features, we extend the existing Partial-Order Causal Link approach used in many constraint-based planners, with the notions of task and decomposition. It is implemented in FAPE (Flexible Acting and Planning Environment) together with automated problem analysis techniques used for search guidance. We show FAPE to have performance competitive with state of the art temporal planners when used in a generative setting. The addition of hierarchical information leads to further performance gain. In the third chapter, we study the usual methods used to reason on temporal uncertainty while planning. We relax the usual assumption of total observability and instead provide techniques to reason on the observations needed to maintain a plan dispatchable. We show how such needed observations can be detected at planning time and incrementally dealt with by considering the appropriate sensing actions. In a final chapter, we discuss the place of the proposed planning system as a central component for the control of a robotic actor. We demonstrate how the explicit time representation facilitates plan monitoring and action dispatching when dealing with contingent events that require observation. We take advantage of the constraint-based and hierarchical representation to facilitate both plan-repair procedures as well opportunistic plan refinement at acting time
Le domaine de la planification de tâches a vu de rapides développements au cours de la dernière décennie et des planificateurs sont maintenant capable de trouver des plans de centaines actions en quelques secondes. Malgré ces importants progrès, les systèmes robotiques dépendent toujours d'une architecture réactive avec peu de capacité de délibération sur les futures actions qu'ils pourraient entreprendre. Dans cette thèse, nous soutenons qu'une intégration réussie d'un planificateur avec un système robotique ne peut être réussie que si le planificateur a la capacité de raisonner sur des modèles temporels et hiérarchiques. Le temps est en effet une ressource centrale pour énormément d'activités autonomes tandis que les aspects hiérarchiques sont critiques pour l'intégration de modules de délibération à différents niveaux d'abstraction, dans lequel on reçoit une vue très abstraite d'une activité qui doit être affinée jusqu'à des commandes motrices. Comme première étape dans cette direction, nous commençons par présenter un modèle pour la planification temporelle qui unifie les approches génératives et hiérarchiques. Au centre de ce modèle sont des patrons d'actions temporelles, complétées par une spécification d'un état initial et de l'évolution attendue de l'environnement. De plus, notre modèle permet la spécification de connaissance hiérarchique sur tout ou partie du domaine. Ainsi, notre modèle généralise les approches génératives et hiérarchiques tout en supportant une représentation explicite du temps. Ensuite, nous introduisons un algorithme de planification adapté au modèle proposé. Pour supporter les caractéristiques hiérarchiques, nous étendons l'approche classique de planification en l'espace des plans, notamment utilisée dans les planificateurs basés sur les CSP, avec les notions de tâches et de décomposition. L'approche est implémentée dans FAPE (Flexible Acting and Planning Environment) conjointement avec des techniques pour l'analyse automatique de problèmes. Celles-ci sont utilisées au cours de la planification pour guider la recherche d'une solution. Nous montrons que FAPE a des performances comparables avec les meilleurs planificateurs actuels quand utilisé dans une optique de planification générative. L'ajout d'informations hiérarchiques permet de les surpasser en augmentant encore les performances. Nous étudions ensuite les méthodes habituellement utilisées pour raisonner sur l'incertitude temporelle en planification. Nous relâchons les suppositions classiques d'observabilité totale et proposons des techniques pour raisonner sur les observations nécessaires pour maintenir un plan exécutable. Nous montrons que la nécessité d’une observation peut être détectée durant la planification et traitée incrémentalement en considérant les actions de perceptions appropriées. Pour finir, nous discutons de la place du système de planification proposé comme composant central pour le contrôle d'un système robotique. Nous démontrons que la prise en compte explicite du temps facilite le monitoring et l'exécution d'actions quand le système doit prendre en compte des événements contingents qui nécessitent d'être observés. Nous bénéficions également des représentations hiérarchiques et par contraintes qui facilitent la réparation de plan et la possibilité d'affiner un plan durant l'exécution.