Projet ANR-14-CE27-0004 – AdAP2E : Plate-forme de production environnementale adaptable et autonome
Programme : Sciences et technologies de production, l'usine numérique (DS0302)
Année de financement : 2014
Coordinateur du projet : Monsieur Roland Lenain (IRSTEA CENTRE DE CLERMONT- FERRAND)
Partenaires : Laboratoire public
Montant : 355680.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 54 mois
Résumé : A la recherche d'outils robotique pour une agriculture respectueuse de l'humain et l'environnementLa nécessaire réduction de l'impact environnemental des activités humaines tout en maintenant les niveaux de production requière l'émergence de nouveaux moyens de production pour les systèmes agri-environnementaux. La robotique permet d'apporter une solution en proposant des dispositifs autonome capables de réaliser des tâches précises, répétitives et pénibles. Ce projet propose de développer des robots agiles capables d'accomplir plusieurs types de travaux dans des milieux difficiles.
Un robot reconfigurable pour s'adapter à la variabilité des situations dans un contexte dynamiqueLa réalisation de travaux en milieux naturels s'avère souvent dangereuse et pénible, et fait appel à de multiples compétences. Qui plus est, l'intervention humaine pour réaliser des tâches de précision est souvent requise, notamment pour réduire l'impact environnemental (traitements phytosanitaires, pollution, …). L'emploi de robots peut être une alternative viable si ceux-ci sont capables d'évoluer dans différentes conditions avec précision. Pour ce faire, il est nécessaire que les robots soit capable de s'adapter au milieu et à la tâche en temps réel. Si plusieurs prototypes ont permis de montrer la pertinence de la robotique en milieux naturels, ces avancées demeurent dans un cadre restreint (type de sol, plage de vitesse, ...) et pour un type de tâche (désherbage, aide logistique, …). Aussi l'objectif de ce projet est de concevoir une plate-forme robotique capable d'adapter son comportement et sa configuration à différents types de tâche et de contexte d'évolution. Deux types de reconfiguration sont envisagées. La première est d'ordre algorithmique, et consiste à modifier le comportement sensorimoteur du robot en fonction de la tâche à réaliser et des conditions d'interaction avec l'environnement (éclairage, adhérence, géométrie du sol, présence d'obstacle…). La seconde est d'ordre mécanique, et consiste à modifier les paramètres physiques du robot (suspension, garde au sol) pour adapter sa dynamique (stabilité, franchissabilité) et permettre l'accomplissement de sa mission en garantissant la précision et l'intégrité du robot.
De l'adaptation à la reconfiguration : vers une approche modulaire de la robotique en milieux naturelsAfin d'appréhender le caractère variable des situations rencontrées, des approches de perception et de commande robustes sont mises en œuvre afin de conserver les performances du robot quel que soit le milieu rencontré. En particulier, des principes adaptatifs permettent de nourrir des modèles hybrides de représentation, capables de prendre en compte les dynamiques incertaines. En outre, ces modèles sont exploités pour moduler les actions du robot et garantir sa stabilité ainsi que ses performances en termes de précision. Compte-tenu de la diversité des situations rencontrées dans le domaine tout-terrain, ces modérations des commandes peuvent amener à des situations d'échecs : le robot est physiquement incapable de poursuivre son évolution avec les contraintes demandées. C'est en ce sens qu'intervient la reconfiguration mécanique. En effet, si les modèles hybrides sont exploitées pour estimer les capacités, ils peuvent être exploités pour déterminer une configuration mécanique autorisant la poursuite de la mission. Le projet exploite ainsi la notion de mécatronique en déterminant par l'intermédiaire de lois de commande, des degrés de libertés permettant d'adapter la structure mécanique. Pour ce faire, des méthodologies de conception innovante sont mises en œuvre pour  concevoir un châssis reconfigurable capable d'offrir une variabilité de comportement compatible avec la diversités des actions et des conditions d'interaction robot/environnement.Néanmoins, plusieurs configurations possibles et plusieurs approches de commandes, requérant plusieurs capteurs sont requises pour l'évolution en milieux naturels (suivi de structure, tracking de cible). Aussi, différents modes de fonctionnement concourants doivent être définis et sélectionnés ou pondérés en temps réel. Aussi, des processus décisionnels à base notamment de logique floue et de chaîne de Markov sont considérées dans ce projet.
Résumé de la soumission : Ce projet de recherche a pour cadre le développement de nouveaux outils de travail robotisés au service de l'environnement et de l'agriculture. Il a pour finalité d'accroître l'efficience des opérations à réaliser en milieux naturels, tout en contribuant à la préservation des biens environnementaux. Pour ce faire, plusieurs verrous scientifiques doivent être levés, nécessitant l'émergence d'une équipe de recherche regroupant des compétences pluridisciplinaire : algorithme d'aide à la décision, interaction homme/machine, commande de système robotique et perception. Celle-ci propose de développer un démonstrateur robotique interactif et reconfigurable, capable d'effectuer des déplacements précis en milieux naturels avec un degré d'autonomie ajustable à la situation rencontrée, et capable d'interagir avec les opérateurs  et  les personnes environnantes. Ce projet fédérateur a pour ambition de démontrer les capacités offerte par une structure de commande variable par l'intermédiaire d'un robot réel doté d'un haut degré de mobilité en conditions réelles à un horizon de 42 mois.Ancré sur les aspects de commande de robots mobiles, le projet AdaP2E prend appui sur le développement de plusieurs types d'approches de déplacements autonomes, comme le suivi précis de trajectoires, le suivi de cibles mobiles, le déplacement à haute vitesse ou la gestion de traversabilité. Certaines de ces fonctionnalités ont déjà été développées, y compris en prenant en comptes les spécificités liées au milieux naturels (glissements, reliefs du sol). Utilisant différentes modalités de perception (type de capteurs et données disponibles) et de type de robots (unicycle, voiture, suspension actives), ces approches présentent des avantages et inconvénients en fonction du contexte. Aucune ne permet de réaliser l'ensemble des opérations nécessaires pour accomplir des tâches complexes et complètes en milieux naturels. En outre, un haut niveau d'autonomie requière la planification des tâches à effectuer et ne se limite pas à considérer un mode unique de mobilité. Par conséquent, au-delà des différents types de commande, la constitution de l'équipe de recherche s'inscrit dans le développement d'une architecture de commande haut niveau. Celle-ci doit permettre la gestion et la configuration du système sur plusieurs plans. Commençant avec la planification des tâches à effectuer, cette architecture devra assurer la sélection entre les différentes approches de commande développées, mais également entre les différentes configurations matérielles possibles (disponibilité des mesures, reconfiguration des paramètres du châssis). Basé sur la recherche de processus décisionnels en temps réel, l'équipe attachera une grande importance à la prise en compte de la dimension humaine. En effet, elle orientera le développement de la supervision vers la prise en compte de l'expertise du ou des opérateurs, par son observation vis-à-vis de profils de références.Les développements autour de la commande, de la supervision et de l'interaction homme machine constituent par eux des contributions scientifiques, notamment dans l'intégration des spécificités liés aux milieux naturels (au vue de la grande variabilités paramétrique). Néanmoins, la contribution majeure s'inscrit indéniablement dans l’intégration de ces différents domaines au sein d'une même architecture globale et interactive. Ceci est rendue possible par la constitution d'une équipe de recherche dans la thématique des systèmes robotiques mobiles reconfigurables, afin d'appréhender les dynamiques variables et incertaines du contexte tout-terrain. L'objectif est de rendre le système robotique capable de faire face à différentes situations en vue d'aider les opérateurs et de répondre à leurs besoins croissants pour les interventions en milieux naturels. Celles-ci s'avèrent en effet bien souvent difficiles et dangereuses, quels que soient les champs d'applications envisagés.
Résultats : Afin de prendre en compte la variabilité des conditions d'interactions entre le système robotique et son environnement, plusieurs approches de perception et de contrôle ont été développés en fonction de scénarios types rencontrés dans les tâches environnementales. Ces comportements types ont été testés en vraie grandeur et qualifiés en fonction du contexte. En particulier 5 modes ont été mis en œuvre : tracking de cible par laser, suivi de structure par fusion vision/lidar, suivi de trajectoire par GPS, évaluation de la traversabilité par reconstruction 3D, franchissement par retour d'effort. Ces premiers modes de déplacement ont permis d'obtenir des contributions originales, notamment dans le domaine de la commande adaptative à différentes vitesses (et donc avec des dynamiques très variables), en conservant une architecture unique de commande. Si tous peuvent faire l'objet de contribution particulière, l'intérêt réside aujourd'hui dans la sélection de ces comportements élémentaires. En effet, d'un point de vue algorithmique, l'objectif est à présent de mettre en œuvre des processus décisionnels, basés sur la reconnaissance du contexte de la tâche, et d'une planification préalable. 
Les méthodologies innovantes de conception ont permis de générer des concepts de châssis reconfigurables répondant au cahier des charges, mais sortant toutefois du cadre financier du projet. Néanmoins, un concept capable d'allier la modularité avec les contraintes financières réside dans la mise en œuvre d'un système multi-robots, généralisant le concept avancé par le projet et générant de nouveaux modes de perception et de commande. Aujourd'hui la réalisation de 2 robots associables est en cours de démarrage, et les développements algorithmiques se sont focalisés sur la synchronisation de plusieurs robots, renforçant l'intérêt de la supervision des processus.
Perspectives : Les résultats relatifs à l'architecture modulable du système robotique ont menées au développement d'une architecture multi-robot capables d'apporter un haut niveau de modularité. Ceci ouvre, par extension, des perspectives importantes sur la thématique de l'association d'entités robotiques génériques. De fait, ceci devrait amener au dépôt d'un projet H2020 sur la mise en place de système coopérant pour l'agriculture. De fait, les premiers résultats sur la synchronisation de deux robots amène également à considérer la coopération de robots entre différents milieux (en particulier sol – air).
Le domaine d'application a permis d'ouvrir la voie à plusieurs projets connexes, en lien avec des industriels, pour le développement d'engins agricoles autonomes. Au-delà des aspects robotiques, les possibilités offertes par les approches de supervision permettent de proposer des avancées à court terme sur les processus d'aides à la décision et d'entrepôt de données.
Enfin, la gestion de l'intégrité de robots mobiles trouvent des débouchées plus directe sur le développement de dispositifs de sécurité pour les engins tout-terrain. Plusieurs coopérations avec des entreprises ont été initiées en ce sens.
Publications et brevets : Deux contributions scientifiques majeures sur la commande adaptative et la coopération de robots mobiles ont été permises par ce projet dans des revues internationales de premier ordre :
Roland Lenain, Jean-Baptiste Braconnier, Benoit Thuilot, Vincent Rousseau, Robust sideslip angles observer for accurate off-road path tracking control, Advanced Robotics, accepté.
Audrey Guillet, Roland Lenain, Benoit Thuilot, Vincent Rousseau, Formation control of agricultural mobile robots: a bi-directional weighted constraints approach, Journal of Field Robotics, accepté
Une communication dans une conférence sur le côté applicatif a été réalisée :
Bernard Benet, Vincent Rousseau, Roland Lenain, Fusion between a color camera and a TOF camera to improve traversability of agricultural vehicles, Ageng 2016, Aarhus, Danemark
Plusieurs articles de conférence sont en cours de dépôt, mais les publications dans les revues ont été dans un premier temps privilégiées. Outre ces communications, la brevetabilité du principe de coopération est à l'étude.
Enfin plusieurs démonstrations ont montrées la faisabilité et l'intérêt d'un système robotique modulable, composé de plusieurs robots mobiles :
- Salon de l'agriculture 2016
- Journée de l'Europe 2016 au siège de la commission européenne