Politique scientifique du Laboratoire Systèmes Complexes (LSC)

Le CEMIF - Centre d'Etude de Mécanique d'Ile de France -, laboratoire mixte CEA-Université d'Evry, créé au début des année 1992 par une convention entre les deux organismes a pour objectif de développer des synergies entre chercheurs d'horizons différents autour d'un certain nombre de thèmes concernant la modélisation en mécanique et l'analyse des systèmes complexes. Le conseil scientifique du CEMIF, dans sa réunion de Novembre 1998, a jugé que la cohérence du laboratoire n'était pas suffisante et a suggéré une restructuration de nos activités en deux laboratoires indépendants, l'un en mécanique-énergétique, l'autre autour de la modélisation et du contrôle des systèmes complexes. La structure CEMIF reste en tant que fédération de deux laboratoires : CEMIF-Mécanique, CEMIF-Systèmes Complexes.

Le LSC a été reconnu par le ministère comme équipe d'accueil en décembre 2000.

Dans la suite du texte il est appelé indifféremment CEMIF-Systèmes Complexes, CEMIF-SC, Laboratoire Systèmes Complexes, LSC.

Les thématiques de recherche

Les activités du Laboratoire Systèmes Complexes sont centrées essentiellement sur la problématique de la Machine Intelligente. Il s'agit de réaliser des machines ou systèmes physiques qui sont en mesure de percevoir et d'agir dans un environnement variable (connu ou inconnu), capables de raisonner de façon rationnelle sur une diversité de tâches ou de données et sur les moyens nécessaires pour les accomplir de façon autonome ou en coopération avec un opérateur humain. Cet objectif nécessite une démarche scientifique et technique menant en parallèle et étroitement les développements de la théorie et de l'expérimentation. Ainsi les chercheurs du laboratoire investissent leurs efforts dans l'approfondissement des principaux thèmes de la machine intelligente au niveau des concepts et méthodes, et de la mise en oeuvre des résultats théoriques sur des processus réels.

Nos activités s'articulent autour de trois thèmes eux mêmes organisés en sous thèmes, concernant l'acquisition des données, leur traitement, le raisonnement, la modélisation et le contrôle des systèmes :

Thème I. Traitement des données et modélisation

• I.1. Modélisation par apprentissage

• I.2. Traitement des données imprécises et incertaines

• I.3. Modélisation du savoir faire et diagnostic

Thème II. Réalité virtuelle et Vision artificielle

• II.1. Réalité virtuelle et Réalité augmentée

• II.2. Vision 2D/3D

• II.3. Capteurs intelligents

Thème III. Modélisation et Contrôle des machines complexes

• III.1. Contrôle de véhicules

• III.2. Coopération entre entités intelligentes

• III.3. Mécatronique

Dans le thème I la modélisation par apprentissage fait appel aux différentes techniques d'apprentissage (supervisé, non supervisé, par renforcement). Elle repose sur les concepts de réseaux neuromimétiques et donne une place importante à la caractérisation des données et à leur prétraitement par des méthodes de regroupement et de projection non linéaire. Le traitement des données imprécises et incertaines s'est développé à l'origine autour de la logique floue avec les SIF (Systèmes d'Inférence Floue). Nous nous sommes particulièrement intéressés à l'optimisation de ces systèmes et à l'extraction automatique de règles de décision. Le problème de la fusion de données nous a amené à développer différentes méthodes utilisant les autres théories de l'incertain (probabilités, possibilités, évidence). Dans le sous thème I.3 on développe le diagnostic à base de modèle structurel et comportemental d'un système. C'est une approche basée sur les techniques de l'Intelligence Artificielle utilisées également dans la modélisation et capitalisation des savoirs et savoir-faire dans les processus industriels.

Outre sa dynamique propre, le thème I a un rôle fédérateur au sein du Laboratoire Systèmes Complexes car y sont développées des compétences solides qui sont utilisées dans les deux autres thèmes.

En ce qui concerne le thème II, l'équipe a été la première en France à développer des études sur le concept de Réalité Augmentée pour le contrôle des robots téléopérés (thèse de Malik Mallem : Aide à la perception en Téléopération. Superposition à une image caméra d'une image synthétique animée en temps réel à partir d'informations capteurs, 24 Avril 1990). Cet axe de recherche s'est poursuivi avec le développement du système MCIT (Module de Contrôle et d'Interface en Téléopération). Nous sommes le laboratoire français le plus avancé dans la mise en œuvre du concept de Réalité Augmentée avec des images " live " pour la téléopération.

L'équipe est également la première à avoir mis sur l'internet un système de télétravail permettant le contrôle d'un robot (ARITI: Augmented Reality Interface for Teleoperation applications via Internet) et utilisant les techniques de la réalité virtuelle. ARITI constitue un système expérimental de télétravail via l'internet, il est accessible depuis 1999 sur le site web du laboratoire et depuis Février 2000 sur le site de la NASA. Au delà de la réalisation technique, les apports de ARITI résident dans la mise en œuvre d'assistances à l'opérateur humain pour la perception de la scène, la supervision des tâches et le contrôle du robot (guides virtuels).

La base de la Réalité augmentée est la superposition de l'environnement réel et de l'environnement reconstitué (virtuel). C'est une des techniques de la Réalité Virtuelle (RV).

Le développement de cette thématique est mantenant un axe prioritaire de notre laboratoire.

Toujours dans le domaine de la RV, le LSC développe un programme de recherche dans le domaine des interfaces haptiques mettant en jeu le sens haptique de l'homme (la kynestésie et le tactile). Moyennant des interfaces et des dispositifs ergonomiques adaptés aux modalités sensorielles de l'opérateur humain, l'interaction entre l'opérateur et l'environnement virtuel est voulue à la fois intuitive (illusion haptique, recherche de métaphores haptiques) et multi-modale, incluant le retour haptique. L'interaction haptique avec un environnement virtuel concerne un domaine d'applications large : prototypage virtuel, téléopération, simulateurs actifs, exploration multisensorielle de grandes bases de données. Deux projets industriels sont en cours, l'un sur l'exploration de grandes bases de données géologiques avec l'IFP, et l'autre sur l'adjonction du retour haptique dans les simulateurs de conduite automobile avec l'INRETS.

La mise en œuvre d'un système de RV (ou Réalité augmentée) nécessite la modélisation de l'environnement du robot. Cette modélisation réalisée par des capteurs télémétriques, par des caméras a suscité dans notre laboratoire la naissance et le développement d'activités en Vision artificielle l'une orientée capteurs - Capteurs intelligents -, l'autre orientée traitement des données issues de ces capteurs - Vision 2D/3D -. L'objectif étant d'étudier de nouveaux capteurs, des méthodes de calibration de systèmes multicapteurs, des méthodes de segmentation robustes, opérationnels dans des environnements difficiles avec images fortement dégradées, et devant conduire à la modélisation d'environnements " tels que construits ".

Le Thème III est largement trans-disciplinaire. Les études qui y sont menées concernent des systèmes dans leur globalité, elles sont à la fois complémentaires et transversales par rapport à celles menées dans les thèmes I et II, dont elles exploitent les acquis. Ainsi les chercheurs du laboratoire apparaissent-ils le plus souvent dans deux thèmes.

Dans ce thème trois axes principaux se dégagent Le Contrôle de véhicules, la Coopération entre entités intelligentes et la Mécatronique. Le contrôle des véhicules s'est développé dans le laboratoire d'abord autour de la robotique mobile. Ce thème s'est ouvert au contrôle de véhicules routiers, automobiles ou camions, avec des collaborations avec l'INRETS et RVI. Les fonctions étudiées sont la localisation, la reconnaissance et la reconstruction d'environnement, la planification et le contrôle des déplacements.

Maintenant nous l'orientons vers le contrôle de véhicules aériens. Malgré l'extrême jeunesse de cet deuxième axe prioritaire du laboratoire, nous avons déjà des résultats publiés sur le contrôle d'hélicoptères et de ballons dirigeables. Le LSC a acquis un dirigeable pour servir de support aux expérimentations.

La coopération d'entités intelligentes comprend la coopération homme-machine et la coopération entre robots, mises en œuvre dans la cadre du projet ARPH. Le robot mobile muni d'un bras manipulateur est destiné à apporter une assistance à la personne handicapée. L'IHM conçue, utilise les principes mis en œuvre dans ARITI (cf thème II, RV). Ce projet est développé avec le soutien de l'AFM (Association Française contre la Myopathie). Notre action dans ce domaine a permis la naissance d'un groupe national pluridisciplinaire pour l'assistance aux personnes handicapées (IFRATH) regroupant actuellement 13 laboratoires ou entreprises avec des compétences complémentaires : robotique, biomécanique, neurosciences, ergonomie (cf Annexe 3). Le laboratoire a été co-organisateur de la conférence Handicap'2000 (Paris, Porte de Versailles, Juin 2000).

La coopération de robots se développe dans le laboratoire comme une suite naturelle des travaux que nous avons menés en commun avec le LESIR de l'ENS Cachan, autour du projet AMAGRA (Architecture Multi-Agent pour un Groupe de Robots Autonommes). Ce projet s'intègre dans le projet ARPH.

La mécatronique associe dans une même démarche de conception la mécanique et l'automatique. Les études menées portent sur la modélisation des structures articulées déformables, l'identification des paramètres mécaniques (inertiels, frottements), et le contrôle de ces mêmes structures à partir d'un état totalement ou partiellement observé.

La micro-robotique appliquée à l'Assistance au geste chirurgical se développe dans cette équipe en coopération avec l'Université Simon Frazer (Burnaby, Canada), elle concerne le retour haptique et le projet MATEO (Modélisation Artérielle Thérapeutique Endovasculaire assistée par Ordinateur). La réalisation d'un prototype de cathéter actif à conduit au dépôt d'un brevet en France et aux USA. L'application des techniques de réalité virtuelle utilisant le retour haptique pour l'apprentissage du geste chirurgical dans l'opération d'anévrismes de l'aorte est prévue d'être réalisée dans le cadre de ce projet mené avec l'hôpital Tenon. Ce projet crée un lien avec l'équipe Réalité Virtuelle (thème II), il est transverse et donc fédérateur d'activités dans le laboratoire.

Evolution des thématiques de recherche

L'évolution thématique du laboratoire se fera avec l'objectif de renforcer les axes prioritaires de développement et les projets fédérateurs.

*thème I :

Renforcer et élargir notre maîtrise d'un large panel de méthodes de traitement de données numériques et symboliques, avec le souci de développer des méthodologies basées sur l'utilisation conjointes d'outils différents.

Faire évoluer les champs d'applicatifs et de validation de ces méthodes, d'une part en fonction des axes prioritaires du laboratoire, et d'autre part, en relation avec des domaines importants des STIC concernant en particuler le domaine bio-médical et celui de la conduite de véhicules.

*thème II :

• développement de l'activité Réalité Virtuelle (retours haptiques, simulation temps réel, prototypage virtuel, téléopération). Un accent particulier sera mis sur le télétravail coopératif via l'intenet, notamment avec l'étude des environnements multi-agents distribués ;
• développement des techniques et méthodes de vision 2D/3D :
  • recalage 3D d'objets non polyédriques, appariements 2D/3D basés sur les invariants projectifs, suivi en lignes d'objets ;
• fusion de données provenant de sources hétérogènes - dont la couleur - pour améliorer la robustesse des segmentations ;
• études de capteurs multimodaux pour la conduite de véhicules terrestres ou aériens avec dans ce dernier cas l'intégration des fortes contraintes de compacité, poids et communication.

*thème III :

Continuer l'évolution de nos recherches vers le contrôle des véhicules aériens avec notamment l'instrumentation d'un ballon dirigeable pour valider les algorithmes de modélisation et de contrôle.

Coopération multirobot, développement et validation d'algorithmes de coopération en situation réelle.

Coopération humain robot, l'IFRATH a permis de mettre en place une collaboration entre notre équipe pluridisciplinaire et deux autres équipes de sciences cognitives (Rennes 2, laboratoire de psychologie et Valenciennes, LAMIH/PSYCHOTEC ). L'objectif de la collaboration est de rendre intuitive la coopération humain machine en donnant au robot un comportement de type humain et en développant le concept d'affordance (application à la robotique d'assistance)

Mécatronique : continuation des études dans le domaine de l'assistance au geste chirurgical, de la modélisation de robots et de la simulation mécatronique en synergie avec l'équipe réalité virtuelle et le CEMIF-Mécanique.

Deux axes prioritaires de développement, des projets fédérateurs

Les deux grands projets du laboratoire pour les années à venir sont la Réalité Virtuelle et la Robotique mobile 3D. Tous les thèmes du laboratoire sont concernés par ces projets qui revêtent ainsi un caractère fortement fédérateur et structurant. Notre volonté est d'en faire les thèmes d'excellence du CEMIF-SC.

- Réalité Virtuelle :

Le laboratoire est engagé dans le LCTRV (Laboratoire Commun de Téléopération et Réalité Virtuelle) - cf annexe 1 - comprenant le CEA-STR, le LRP, et le LSC. Cette activité est soutenue par un DEA Réalité Virtuelle et Maîtrise des Systèmes Complexes (RVMSC) - cf annexe 2 - porté par notre laboratoire puisque l'Université d'Evry en a le sceau principal.

Les activités vont se développer en synergie avec les partenaires cités ci-dessus, elles concerneront les interfaces multisensorielles (nouvelles interfaces haptiques), la modélisation temps réel, le prototypage virtuel. Un projet de création d'un " cybercentre " dans les locaux du CEA de Fontenay aux roses est en cours de montage.

- Robotique mobile 3D

Les activités robotique mobile 3D ont déjà commencé avec une thèse sur le contrôle d'un modèle réduit d'hélicoptère. Ces travaux vont se poursuive en synergie avec l'équipe mécatronique pour la modélisation et le contrôle et les équipes Vision 3D et Traitement de données pour la localisation.

Un groupe de travail sur la modélisation et le contrôle d'hélicoptères, dirigé par T.Hamel (CEMIF-SC) et B.Brogliato (LAG) est constitué, il comprend outre les deux entités déjà citées, l'UTC (R. Lozano), le LAAS (P.Souères). Son insertion au sein du GDR Automatique est demandée.

Ce type d'activité existe déjà dans des laboratoires étrangers avec qui nous sommes en contact (ETH Zurich Suisse, Illinois University USA). Elle est nouvelle en France où nous faisons partie des acteurs de son démarrage.

L'extension au contrôle de ballons dirigeables est en cours, puisque le LSC a acquis un tel dispositif.

Les projets fédérateurs et structurants permettant de regrouper les compétences des équipes de traitement de données, Réalité virtuelle-vision, et robotique sont celui d'Assistance Robotisée à une Personne Handicapée et d'Assistance au geste chirurgical.

Le tableau ci dessous montre le caractère structurant pour le laboratoire des axes prioritaires et des projets fédérateurs.

Bilan

Le bilan chiffré est porté dans les fiches qui suivent ce texte.

Le laboratoire a deux membres de plus cette année. Ils viennent renforcer l'équipe Réalité virtuelle. Le nombre d'habilités à diriger des recherches est maintenant de 9 pour 28 enseignants chercheurs, ce qui représente un ratio encore faible. Par contre le LSC qui ne dispose que d'une secrétaire sur ¼ de temps souffre cruellement du manque de personnels IATOS.

Les moyens financiers sont encore trop faibles. Les crédits du ministère représentent en moyenne 25% du total des crédits du laboratoire. Notre présence est trop faible dans les projets européens et nationaux. La participation du LSC au LCTRV au côté du CEA devrait nous permettre d'accéder plus facilement à des projets nationaux et européens. Les collaborations internationales qui se mettent en place devraient également se concrétiser par la participation à des programmes internationaux créateurs de flux financiers. Plusieurs dossiers ont été déposés.

Un effort est à faire aussi du côté des demandes faites auprès des collectivités locales (département et région), même si en région Ile de France il est très difficile de faire avancer des dossiers.

Le bilan du laboratoire fait apparaître un recentrage de ces activités autour des deux axes principaux : réalité virtuelle et véhicules aériens. Les travaux de recherche menés dans ces deux axes principaux et dans les projets fédérateurs montrent bien la cohésion et la complémentarité des équipes.

Le fort appel du à l'implantation du Génopôle sur Evry peut renforcer l'effet structurant si le LSC réussi à diffuser les techniques de réalité virtuelle dans ce domaine. Pour d'autres besoins des généticiens, les effets peuvent être au contraire déstructurants. Il est trop tôt pour dresser un bilan maintenant, ce bilan pourra être fait dans quatre ans en fin du prochain contrat quadriennal.

L'activité de création de connaissances s'est traduite depuis 1997 par la production d'un ouvrage publié aux éditions Hermès, la participation à 8 ouvrages collectifs, de 46 articles dans des revues à comité de lecture, 131 communications à des congrès avec actes, dont 10 invitées et une organisée. Ceci représente un progrès certain par rapport à la période précédente qui ne comportait que 29 publications dans des revues.

Deux brevets ont été déposés en 2000.

22 thèses ont été soutenues ainsi que 3 Habilitations à diriger des recherches (M.Mallem en 1999, H.Maaref et Y.Bestaoui en 2000). Il faut noter à ce propos la réelle difficulté, voire l'impossibilité, d'obtenir des bourses de thèses de la part de la région Ile de France.

Par ailleurs, le rayonnement du laboratoire que ce soit au niveau national ou international commence à s'affirmer par les nombreuses collaborations qui existent ou sont en train de s'installer. Les faits saillants sont la création de l'IFRATH (cf annexe 3) dont le LSC est un des créateurs et animateurs (Pr Etienne Colle) et qui a organisé le congrès Handicap 2000 (Paris), l'organisation d'un tutorial sur la robotique 3D dans le congrès IEEE Robotics and Automation 2000 aux USA (Tarek Hamel), la co-organisation du congrès IEEE ROMAN 2001 (A.Kheddar).

Le Laboratoire SC participe à la formation des jeunes chercheurs. Il a été engagé jusqu'en 2000 dans la formation doctorale Robotique (sceau principal : Paris 6, établissements cohabilités : ENSAM, UVSQ, U EVE (responsable : Francis Artigue), INSTN (responsable : Florent Chavand). A partir de l'année 2000-2001 il est le laboratoire porteur du DEA RVMSC (Réalité Virtuelle et Maîtrise des Systèmes Complexes), l'Université d'Evry en est l'établissement principal et le directeur est F.Chavand (cf annexe 2).

LSC : Bilan 1997-2000 Fiche 1