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Robotique et mobilité pour l’environnement et l’agriculture (ROMEA)

Au sein de l'unité de recherche TSCF, l'équipe ROMEA, basée à Aubière, conçoit des systèmes reconfigurables et à autonomie partagée, pour accroître les performances et la sécurité des engins œuvrant en milieux naturels, en particulier ceux rencontrés dans l'agriculture.

L'équipe, qui bénéficie d'une expérience importante dans ce domaine,  s'attache à définir des approches innovantes sur des thématiques ayant traits à la robotique pour améliorer la mobilité des machines. Il s'agit principalement d'accroître le niveau d'autonomie pour concilier des niveaux de productions élevés au respect de l'environnement, en garantissant la sécurité des personnes et la sûreté de fonctionnement. Pour ce faire, il est nécessaire de prendre en compte les spécificités liées à l'évolution en milieux tout-terrain (inclinaisons, visibilités, adhérence, diversités des situations). Aussi les recherches menées dans l'équipe sont axées autour de trois volets principaux :

  • La conception de dispositifs de sécurité. Que ce soit du point de vue de la conception mécanique ou pour la réalisation de dispositif d'assistance, l'équipe développe des mécanismes, potentiellement actifs, pour accroître la sécurité et la sûreté de fonctionnement.
  • La perception et la caractérisation de l'interaction d'un engin dans son environnement (matériel et humain). Ce domaine comporte deux actions. Une première concerne la modélisation du comportement des machines et de l'interaction avec l'utilisateur. La seconde est focalisée sur la perception, à des fins de localisation et de représentation de l'environnement.
  • La commande des déplacements et le partage d'autonomie avec l'opérateur. Il s'agit dans ce volet de développer des algorithmes avancés de commandes ou d'assistance, en prenant en compte les phénomènes perturbants, et les incertitudes liées à l'évolution en milieux tout-terrain et dans différentes conditions.

Les avancées obtenues dans le cadre de ces recherches sont illustrées au travers de plusieurs actions types que sont : la navigation autonome, le maintien d'intégrité, et enfin, la coopération de plusieurs véhicules en autonomie supervisée, ou avec une personne. Ces développements, effectués en relation avec les acteurs de la recherche et de l'industrie, sont principalement appliqués aux agroéquipements. Ils sont éprouvés en situations réelles sur plusieurs démonstrateurs (véhicules, dispositifs de tests et robots, ainsi que des outils avancées de simulation).

Son savoir-faire dans le domaine de la robotique mobile en milieux peu structurés est également valorisé auprès d'autres domaines d'activités. En effet, la dynamique instaurée avec ses partenaires universitaires privilégiés (Laboratoire d'Excellence IMobS3, LamiH…) et sa proximité avec certaines entreprises sont de nature à étendre le spectre d'applications et les retombées de certaines méthodes à caractère plus général. Des projets récemment lancés dans les domaines de la mécanisation de l'exploitation forestière ou de la surveillance de personnes autour de machines en relation étroite avec des partenaires industriels en sont des illustrations.

Thèmes de recherche

Innovations technologiques pour l'agriculture durable et l'environnement - INSPIRE

Unité de recherche

Technologies et systèmes d’information pour les agrosystèmes - TSCF

Projets de recherche

Le projet Européen i-LEED a pour objectif l’optimisation de l’alimentation de vaches laitières au travers la gestion innovante de pâturages rationnés. Un robot mobile est chargé de mesurer la qualité et la quantité d’herbe au pâturage dans chacune des parcelles pour pouvoir, à partir d’informations telles que le poids des animaux et la quantité de lait produite, ajuster et déplacer quotidiennement la surface à pâturer conduisant à une alimentation optimale des animaux. Le robot est également en charge de l’entretien des zones venant d’être pâturées, en effectuant des opérations telles que l’ébousage des zones souillées, le semis ciblé des zones sans végétation, ainsi que la taille des zones de refus.

Les partenaires de ce projet sont LFL (Institut national de recherche bavarois pour l’agriculture - Allemagne), Ege (Université d’Izmir – Turquie),  Irstea (Institut national de recherche en sciences et technologies pour l’environnement et l’agriculture – France), DSP-Agrosoft (PME, logiciels pour l’élevage animal – Allemagne) et Effidence (TPE, robotique mobile - France).

Les principales contributions d’Irstea concernent la planification des trajectoires du robot dans les parcelles ainsi que le développement des lois de commande permettant des déplacements sûrs et précis du robot dans les zones de pâtures.

Contact : Christophe Cariou

  • Projet ANR Adp2e

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 : algorithme d'aide à la décision, interaction homme/machine, commande de système robotique et perception. Il s'agit ici 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 offertes 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.

Contact : Roland Lenain

Le déplacement autonome d’un robot en milieu ouvert est encore à un niveau de maturité non opérationnel. L’objectif principal du projet BAUDET-ROB est la conception d’un robot capable de suivre en complète autonomie un groupe de personnes, tout en transportant une partie de leur matériel. Un des challenges de BAUDET-ROB est de faire en sorte que le robot soit capable de s'adapter de lui-même aux contextes et situations extrêmement diversifiés qu’il sera susceptible de rencontrer. Les 3 défis scientifiques de BAUDET-ROB sont :

  • Identification et suivi d'un piéton ‘leader’. Sélection et identification d'un ‘leader’ dans un groupe de personnes;
  • Gestion intelligente du suivi. Concept d’« attelage virtuel » avec le leader;
  • Autonomie complète du déplacement du robot. Évitement d’obstacles, suivi de chemin, analyse du comportement du ‘leader’, prise de décision.

Contact : Christophe Debain

  • Conventions avec la CCMSA et le ministère de l'agriculture (BSST)

Cette convention comporte plusieurs axes de développement visant à améliorer la santé et sécurité des agroéquipements et montre comment les recherches en mobilité en milieux naturels peuvent avoir des retombées concrètes et à court terme pour les opérateurs. Dans ces travaux, la conception de nouveaux dispositifs pour des systèmes ou des opérations accidentogènes sont développés (attelage tracteur/outil innovant, utilisation déchiqueteuse, système de nettoyage d'épandeurs, etc...). Au-delà de la conception mécanique, la réalisation de dispositifs actifs contre le renversement est également une préoccupation importante de cette convention.

Contact : Nicolas Tricot

 

Au-delà de ces projets représentatifs des travaux de l'équipe, d'autres projets sont conduits, non seulement à visé théorique (européens, ANR, Régionaux), mais également à des fins applicatives à plus court terme, que ce soit dans le cadre de FUI ou directement en lien avec des industriels.

Quelques projets terminés

Equipements

Robots mobiles

  • Arocco.

Ce robot mobile électrique est équipé de 4 roues motrices et directrices indépendantes. Le robot est ainsi capable d'évoluer sur des terrains accidentés et franchir des pentes jusque 15°. Son poids est de 650kg pour un encombrement de 2x1.5x1m. Sa vitesse étant limitée, ce robot est dédié à la validation des méthodes de suivi de trajectoire, de perception multi-capteurs et de cartographie. En fonction des besoins, ce robot peut notamment être équipé de caméras et télémètres lasers, ainsi que d'un capteur GPS.

 

  • RobuFAST.

Ce robot a une architecture similaire à Arocco. Sa masse plus faible (400kg), associé à des moteurs plus puissants lui permet d'atteindre une vitesse maximale beaucoup plus importantes (10m/s). Ses roues étroites  donnent des conditions d'adhérence assez limitées, et permettent d'étudier des phénomènes dynamiques importants (risques de renversement, de dérapage et pertes d'adhérence). Aussi, ce robot est principalement dédié aux retombées sur la sécurité et le maintien d'intégrité. Les capteurs inertiels sont doncs privilégiés dans ce cas.

 

  • Jaguar

Ce robot est de plus petite taille (50x50x40cm pour 10kg) et dotés uniquement de roues motrices (skid steering). Sa vitesse maximale reste faible (3m/s), mais il est facilement déplaçable. Ce robot est principalement dédié aux tests de collaboration homme/machine et principalement au suivi d'un opérateur humain.

 

 

Machines Instrumentées et/ou automatisées:

  • Quad instrumenté

L'équipe dispose d'un quad, qu'elle a instrumenté pour développer des dispostifs actifs de sécurité contre le renversement. Ici, la manette d'accélération est remplacée par une gâchette à retour d'effort. À partir du transfert de charge estimé par une centrale inertielle bas coût, la manette des gaz peut se raidir pour limiter la vitesse en cas de danger. Trois niveaux (débutant, confirmé, expert) sont proposés pour les tests en vraie grandeur, actuellement en cours auprès d'utilisateur dans le cadre de partenariats avec des organismes de formation.

 

  • Tracteurs automatisés

L'application privilégiée étant centrée sur les agroéquipements, l'équipe dispose de plusieurs tracteurs agricoles, instrumentés et modifiés afin de pouvoir générer des commandes de façon autonomes. Ces plateformes permettent d'éprouver en situation, la robustesse et la précision des algorithmes développés.

Plateformes d’essais

  • Pneu capteur

Le pneu capteur est un dispositif expérimental breveté - FR2892972, permettant de mesurer les déformations dans le pneumatique en instrumentant la jante. A partir de ces déformations, il est possible d'estimer les efforts de contact, afin de caractériser l'influence de l'engin sur le sol ainsi que la dynamique des véhicules.

  • OCPS

L'Outil de Cartographie des Propriétés du Sol se compose de plusieurs lames, entrant dans le sol et trainées par un véhicule tracteur. Sur chaque lame, un capteur d'effort permet de mesurer l'effort de résistance à l'avancement. Couplés à des informations de localisation (GPS), et à des informations électriques (mesure d'impédance sur une des lames), ces efforts permettent de dresser une carte d'une parcelle et d'en extraire des informations importantes, comme le tassement.

 

  • Maquettes de validation pour la sécurité des agroéquipements

La réalisation de maquettes ou de prototypes pour valider les dispositifs de sécurité sur les agroéquipements est essentielle dans le processus de re-conception. Afin de valider les concepts développées, plusieurs démonstrateurs ont été réalisés. On peut noter dans ce cadre la réalisation d'une maquette pour la conception d'une liaison tracteur outil semi-automatisée, ou encore la réalisation de prototype pour sécuriser une déchiqueteuse, ou proposer des dispositifs de nettoyage efficaces et sûrs pour les matériels d'épandage.

 

  • Moyens de protoypage

Tous les équipements cités ci-après bénéficient de l'apport des moyens de prototypages de l'équipe. Que ce soit en conception complète, ou pour l'optimisation, plusieurs outils permettent de mettre en place et faciliter les tests et les essais. Ces moyens sont partagés avec d'autres équipes au sein de l'unité. L'équipe dispose de plusieurs compétences et moyens de conceptions (Catia) et développe des outils de simulation sur plusieurs plateformes (MSC Adams, Scanner Studio, Ogre/Physics). Afin de produire des pièces, un atelier équipé de plusieurs machine-outils est également disponibles.

Réseaux et partenaires

L'équipe ROMEA ambitionne de contribuer à la production de connaissance, tout en ayant à cœur de proposer des solutions efficientes aux problèmes très concrets rencontrés par les utilisateurs dans les domaines de l'environnement et de l'agriculture. A ce titre, l'équipe interagit avec de nombreux partenaires, que ce soient des partenaires académiques institutionnels, ou industriels.

Tout d'abord, ROMEA s'investit dans l'animation de la recherche et est à ce titre membre du groupe de travail (Robotics in Agriculture de l'association IEEE – RAS Society). Elle anime en outre l'axe véhicule autonome terrestre du GdR (Groupe de Recherche) Robotique et participe au GdR MACS. Cette animation trouve ses fondements localement, puisque l'équipe s'investit dans l'animation du Labex IMobS3 sur le campus de Clermont-Ferrand.

Ainsi, les liens scientifiques sont particulièrement forts avec l'Institut Pascal (IP), partenaire avec lequel l'équipe a menés de nombreux projets. Au-delà des laboratoires avec lesquelles ROMEA  travaille dans un cadre formel à l'échelle internationale (Univ Western Australia, Robotics Research Lab, Université de Bologne, ...) ou nationale (ISIR, LAAS, LSIS, Xlim, …), l'équipe s'attache à rester en lien avec les nombreux laboratoires sur la thématique de la navigation autonome de robots mobiles (CEA-List, Irccyn, ENSMP, …).

L'équipe maintient également des liens formels et informels avec les institutions, représnetatives des intérêts sociétaux (Ministère de l'Agriculture, CCMSA, …) ou des intérêts industrels (Cetim, Axema, …), et s'investit dans les pôles de compétitivité, en particulier dans le pôle ViaMéca.

Enfin, ROMEA travaille également avec des partenaires privés, comme des constructeurs « historiques » que sont  Poclain Hydraulics, Michelin, Agco, YANMAR, Kuhn-Audureau ou Constellium. Elle participe également activement à l'innovation, en soutenant l'émergence d'entreprises innovantes (Effidence, 4D Virtualiz), ou en collaborant avec elles (CIPAM, Phimeca, Mtecks-EAT, …).

Composition de l'équipe

Animateur de l'équipe

Scientifiques

Doctorants

Techniciens

Roland Lenain

Lama Al Bassit
Isteven Appavoo
Bernard Benet
Christophe Cariou
Myriam Chanet
Adrian Couvent
Christophe Debain
Philippe Héritier*
Roland Lenain
Raphaël Rouveure
Nicolas Tricot

Mahmoud Almasri
Mathieu Deremetz
Camille Dubos
Thibault Tourrette

Mickael Alain
Guy Brenon*

L'équipe est basée sur deux sites :

  • Centre de Clermont-Ferrand - 9 avenue Blaise Pascal - CS 20085 - 63178 Aubière - Tél.: 04 73 44 06 00
  • *Centre de Clermont-Ferrand - Site de recherche et d'expérimentation - Domaine des Palaquins - 40 route de Chazeuil 03150 Montoldre