Thèse Criticité Mixte et Coordination Autonome pour une Interaction Résiliente Entre Homme et Essaim de Robots Hétérogènes H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Institut Polytechnique de Paris Télécom Paris École doctorale : Ecole Doctorale de l'Institut Polytechnique de Paris Laboratoire de recherche : Laboratoire de Traitement et Communication de l'Information Direction de la thèse : Laurent PAUTET ORCID 000000030888187X Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-09-07T23:59:59 Dans des scénarios complexes du monde réel, tels que les opérations de recherche et de sauvetage, la surveillance environnementale ou les missions de défense, des essaims hétérogènes de robots (par exemple, des drones combinant des capacités aériennes, terrestres et maritimes) sont de plus en plus déployés. Ces systèmes doivent fonctionner de manière fiable malgré les incertitudes, telles que les variations météorologiques, les dérives de consommation énergétique ou les changements dynamiques de la topologie des communications.

Afin de maintenir un humain dans la boucle de décision (human-in-the-loop) lors de missions critiques tout en augmentant les capacités globales de l'essaim, le concept d'autonomie partagée (shared autonomy) devient essentiel, en particulier dans des environnements incertains. Dans ce cadre, un téléopérateur humain fournit les objectifs stratégiques de la mission, tandis que les agents autonomes s'auto-organisent en temps réel afin d'accomplir les tâches, de maintenir les communications et de garantir la sécurité ainsi que l'efficacité de l'ensemble du système. Ce faisant, les agents doivent également assurer de manière autonome la bonne exécution des tâches critiques.

Cette thèse abordera ce défi en combinant des techniques avancées issues des systèmes à criticité mixte (mixed-criticality systems), de la planification décentralisée (decentralized planning) et de la reconfiguration autonome sous incertitude (autonomous reconfiguration under uncertainty)c Dans des scénarios complexes du monde réel, tels que les opérations de recherche et de sauvetage, la surveillance environnementale ou les missions de défense, des essaims hétérogènes de robots (par exemple des drones combinant des capacités aériennes, terrestres et maritimes) sont de plus en plus déployés. Ces systèmes doivent être capables de fonctionner de manière fiable malgré les incertitudes, telles que les variations météorologiques, les dérives de consommation énergétique ou les évolutions dynamiques de la topologie du réseau de communication.

Afin de maintenir un humain dans la boucle de décision lors des missions critiques tout en permettant le passage à l'échelle des capacités globales de l'essaim, l'autonomie partagée (shared autonomy) apparaît comme une approche essentielle, en particulier dans des environnements incertains. Dans ce paradigme, un téléopérateur humain définit les objectifs de haut niveau de la mission, tandis que les agents autonomes s'auto-organisent en temps réel pour exécuter les tâches, maintenir les communications et garantir la sûreté ainsi que l'efficacité de l'ensemble du système. Parallèlement, ils doivent assurer de manière autonome l'exécution correcte des tâches critiques, même en présence d'aléas.

Cette thèse propose de relever ce défi en combinant des techniques avancées issues des systèmes à criticité mixte, de la planification décentralisée et de la reconfiguration autonome sous incertitude, afin de garantir la continuité de mission, la résilience de l'essaim et la sûreté globale du système. Contributions attendues
Élaboration d'un cadre formel pour l'autonomie d'essaims de robots à criticité mixte sous supervision humaine ;
Développement de nouveaux algorithmes de résilience et de reconfiguration autonome en conditions d'incertitude ;
Fourniture de garanties formellement vérifiées concernant la continuité de la mission et la sûreté du système ;
Réalisation de prototypes fonctionnels en simulation et sur plateformes matérielles (notamment à l'aide de ROS/Gazebo et de bancs d'essais en conditions réelles). Objectifs et méthodologie

L'objectif de cette thèse est de concevoir, d'analyser et de valider expérimentalement un cadre de coordination à criticité mixte pour des essaims hétérogènes de drones semi-autonomes opérant sous supervision humaine. Pour atteindre cet objectif, la méthodologie proposée s'articule autour des étapes suivantes :

1. Conception d'une interface de supervision humain-essaim

La première étape consistera à concevoir un modèle d'interaction permettant à un téléopérateur de superviser un ou plusieurs drones en leur assignant des missions, en gérant les situations exceptionnelles et en modifiant les objectifs de la mission en cours d'exécution.

L'interface devra permettre un contrôle intuitif et évolutif (scalable supervisory control), tout en offrant la possibilité de définir ou de modifier des tâches de différents niveaux de criticité. Le système devra alors reconfigurer automatiquement et de manière transparente l'organisation de l'essaim sans compromettre l'exécution des tâches les plus critiques.

2. Modélisation des comportements à criticité mixte

Une seconde étape portera sur la définition d'un modèle formel distinguant les fonctionnalités critiques (par exemple la survie des drones ou le maintien des communications) des fonctionnalités liées aux objectifs de mission.

Cette modélisation intégrera les contraintes temps réel ainsi que les différents niveaux de criticité des tâches embarquées et des tâches distribuées au niveau de l'essaim. Elle devra garantir une dégradation maîtrisée des performances (graceful degradation) lorsque les ressources deviennent insuffisantes ou que les conditions d'exécution se détériorent.

3. Développement d'une autonomie prédictive et réactive sous incertitude

La troisième étape visera à développer des mécanismes décisionnels permettant aux drones d'anticiper les défaillances potentielles, les contraintes énergétiques ou les perturbations environnementales (vent, courants marins, etc.).

Les travaux s'appuieront sur des approches de planification robuste, des fonctions barrières de contrôle (Control Barrier Functions) ainsi que des techniques de vérification formelle afin de garantir la continuité de la mission malgré les incertitudes. Des stratégies de déclenchement différé des drones de secours seront également étudiées afin d'optimiser l'utilisation des ressources tout en maintenant les garanties de sûreté.

4. Conception de mécanismes de reconfiguration décentralisée

Une quatrième étape sera consacrée au développement de protocoles de coordination distribués permettant à l'essaim de se reconfigurer de manière autonome.

Ces protocoles devront notamment assurer :

le maintien des liaisons de communication, notamment par l'utilisation de drones relais ;
l'affectation, le routage et le déploiement des drones de secours ;
le retour autonome à la base des drones dans des conditions environnementales incertaines ;
la continuité de la mission malgré les défaillances ou la perte de certains agents.
5. Validation expérimentale

Enfin, les méthodes proposées seront implémentées et validées aussi bien en simulation que sur des plateformes robotiques réelles (drones terrestres, aériens et maritimes).

Les performances du système seront évaluées au travers de scénarios représentatifs de missions de recherche et de sauvetage ou d'intervention d'urgence, intégrant des facteurs d'incertitude réalistes tels que les perturbations météorologiques, les variations de consommation énergétique ou les évolutions de la topologie du réseau de communication.

Nous recherchons un(e) candidat(e) très motivé(e), disposant de solides compétences dans au moins l'un des domaines suivants :

Robotique autonome ou systèmes de drones ;
Systèmes temps réel et systèmes embarqués ;
Méthodes formelles et systèmes à criticité mixte (mixed-criticality systems) ;
Planification sous incertitude et optimisation sous contraintes ;
Interaction humain-robot.

Une expérience pratique avec des plateformes robotiques (ROS, drones, environnements de simulation) constitue un atout majeur.