Robotique agricole & Mobilité off-road
Recherche & Développement & Ingénierie
Au sein du Laboratoire Partenarial Associé «i-SMART»
INNOVATIVE AND SUSTAINABLE METHODS FOR AGRICULTURAL ROBOTICS AND OFF-ROAD MOBILITY
Dans le cadre des activités de l’AgroTechnoPôle, SHERPA-Engineering (Entreprise Innovante de l’ATP) et l’Unité de Recherche TSCF (laboratoire d’INRAE) ont décidé de nouer un partenariat de recherche plus étroit pour le Développement d’Outils et de Méthodes au service du développement de la robotique agricole en créant Laboratoire Partenarial Associé i-SMART (LPA i-SMART).
La signature du LPA a été réalisé le 13 Mars 2023.
Co-Direction assurée par :
Le programme consiste à développer des solutions pour concevoir et évaluer des systèmes robotiques agricoles performants qui contribueront à limiter l’empreinte environnementale des pratiques agricoles qui les mobilisent tout en répondant aux exigences de sécurité et aux performances de fonctionnement nécessaires.
Le programme s’articule autour de 3 thématiques principales :
- Le premier thème vise à développer des outils et méthodes informatiques pour évaluer les performances environnementales des systèmes agricoles en utilisant la méthode d’analyse de cycle de vie couplée aux méthodes d’ingénierie Système permettant la modélisation des systèmes agricoles complexes.
- Le second thème vise à produire des méthodes mettant en œuvre des essais physiques de systèmes robotiques qui pourront ensuite servir de références et/ou de standards.
- Le troisième thème traite du développement d’outils numériques reproduisant fidèlement les robots, les environnements et les méthodes physiques développés dans le thème 2 mais aussi de véritables jumeaux numériques pour valider les nouvelles solutions de robots agricoles dans leurs environnements et tâches.
Une fois développés, ces outils et méthodes pourront être proposés sous forme de services aux industriels, aux acteurs de la filière et à la communauté scientifique.
Les trois Thèmes plus en détail
Thématique 1 : Outils pour l’évaluation de la durabilité environnementale de systèmes complexes par le couplage de l’ACV et de l’Ingénierie Système
Responsables scientifiques :
- Marilys Pradel, Ingénieure de recherche, UR TSCF
- Fabien Gaudin, Ingénieur Système, SHERPA-Engineering
Ce projet répond à des attentes de plus en plus fortes des constructeurs de machines agricoles en général et de robots agricoles en particulier : Celles de pouvoir disposer de critères d’évaluation des impacts environnementaux de leurs nouveaux produits non seulement lors de leurs utilisations (ex: impacts des nouvelles motorisations bas-carbone, usages des machines dans un contexte agro écologique) mais aussi lors de leurs écoconceptions en début de cycle de vie (ex: impacts de l’emploi de tels ou tels types de matériaux) ou de recyclage en fin de cycle de vie.
Ce projet constitue l’exemple même de la réelle complémentarité entre INRAE-TSCF et SHERPA-Engineering avec coté INRAE-TSCF une compétence en ACV et outils de description et d’analyse associés ET coté SHERPA-Engineering une capacité de modélisation / représentation fine du fonctionnement des machines à différentes mailles (représentations d’ensembles complets, de sous-ensembles fonctionnels particuliers, de composants spécifiques).
Le couplage de l’ACV et de l’Ingénierie Système offre la possibilité de vraiment proposer une méthode et des outils originaux pour qualifier au plus près une nouvelle machine en absolu, mais aussi en relatif en pouvant la comparer par rapport à des machines existantes.
L’outil en cours de développement (O-AMIE) permettra notamment d’évaluer les itinéraires techniques agricoles mobilisant des agroéquipements robotisés en comparaison d’itinéraires conventionnels, qu’ils soient classiques ou agroécologiques.
Thématique 2: Développement d’Outils et Méthodes pour l’évaluation par Essais physiques et Expertises des performances et de la sécurité des robots agricoles et Off-road
Responsables scientifiques :
- Philippe HERITIER – INRAE-TSCF
- Dieumet DENIS / Fabien GAUDIN / Johann CADOT – SHERPA-Engineering
La sécurité et la performance des robots mobiles agricoles et Off-road sont des préoccupations majeures des acteurs de la filière, du constructeur à l’utilisateur.
Ce thème a un double objectif :
- Développer des méthodes et des protocoles de tests permettant de valider par essais physiques les exigences de sécurité et de façon plus générale d’évaluer les performances du système robotique dans la réalisation de différentes tâches.
- Elaborer une expertise sur des dossiers de conception vis-à-vis de la sureté de fonctionnement, des exigences et des plans de validation.
Ce thème prolonge et renforce l’ensemble des activités menées par INRAE-TSCF et ses partenaires CEREMA, AgreenCulture, SITIA, Vitibot dans le cadre du projet ARPA (Agricultural Robot Performance Assessment) conduit entre 2019-2020 au sein du DIH agROBOfood (Réseaux européen pour accélérer la robotique agricole) avec la proposition de trois premiers protocoles pour qualifier la sécurité des robots agricoles :
- ARPA1 - Détecter et éviter la collision avec obstacle de référence ISO 18497
- ARPA2 - Qualification systèmes de perception en milieux perturbés (pluie, brouillard, nuit)
- ARPA3 - Tests dispositifs (barrières physiques ou virtuelles) de maintien de robot dans sa zone de travail (Geofencing)
Ces protocoles ont été identifiés au niveau international dans le cadre des Groupes de Travail de l’ISO 18-497 et OCDE.
Le dernier protocole ARPA 4 – Tests en environnements agricoles (rangées vignes, arbres, cultures hautes) de detection mannequin sous différentes configurations
élaboré en 2022 et présenté lors journée ODCE résulte des travaux du LPA i-SMART.
Thématique 3 : Jumeaux numériques - Développement d’Outils et Méthodes numériques pour l’évaluation des performances, la sécurité et l’aide au développement des robots agricoles et Off-road
Responsables scientifiques :
- Christophe Debain – INRAE-TSCF
- Fabrice Peyrin – SHERPA-Engineering
Ce projet propose la mise en place d’un atelier de jumeaux numériques dont l’objectif est de pouvoir répondre aux demandes des différents acteurs impliqués dans le développement de robots off road.
L’atelier de jumeaux numériques en cours de construction reposera sur une Offre 1 « Open-source » à destination de la communauté de la Recherche utilisant des logiciels libres (Gazebo, Carla) et sur une Offre 2 reposant sur des logiciels sous licence à destination majoritairement des industriels (constructeurs, équipementiers,…) et dans le respect de la confidentialité vis-à-vis des demandeurs / partenaires extérieurs futurs.
Cet atelier intégrera une modélisation numérique de l’ensemble du site d’expérimentation de Montoldre (zones d’évolution extérieures et intérieures) de l’AgroTechnoPôle , commune aux 2 offres supra.
L’atelier de jumeaux numérique sera capable de répondre aux demandes des différents acteurs impliqués dans le développement de robots off road en s’adaptant à chaque besoin en termes de précision de modélisation ou de niveau de simulation (MIL, SIL, HIL). Il sera basé sur un cœur de simulation dont l’objectif est d’organiser et de synchroniser les différents outils de simulation existants – y compris chez les demandeurs. Des modules descriptifs permettront d’intégrer sous différentes formes les robots/ véhicules et outils associés. Il disposera également d’un ensemble de modélisation de capteurs proprioceptifs et extéroceptifs – y compris pour ces derniers des modèles d’interactions avec l’environnement. Le système comprendra également des outils de gestion de scénarios et d’enregistrement de données qui permettront d’évaluer les performances des robots et autres véhicules dans leurs milieux de travail. Des premiers cas d’usages concrets (ex essais ARPA 4) permettront d’illustrer l’apport et rôle de ces nouveaux outils/ environnements virtuels au service de la conception et évaluation des performances des engins agricoles.
Exemples de projets au sein de l’I-SITE CAP20-25 – CIR ITPS – Thème AgroTechnologies
Les projets présentés illustrent des travaux réalisés dans le cadre de l’ISITE CAP20-25 et plus particulièrement au sein de son CIR ITPS / Thème AgroTechnologies qui permet aux équipes clermontoises de disposer de soutiens pour la conduite de projets amonts pour le développement, l’exploration de nouvelles technologies et de nouveaux services au bénéfice de la transition agroécologique.
Projet « SyncEA » (2019-2022)
Partenaires
Porteur du projet: Christophe Cariou – Ingénieur de Recherche TSCF
- These Guillaume PICARD (2018-2022) intitulée "Approche générique pour la coordination des manipulateurs mobiles en milieu naturel"
- These Omid AGHAJANZADEH (2018-2022) intitulée « Contrôle d’objets déformables linéaires pour la manipulation robotisée de cultures »
Le projet SynCEA porte sur le couplage dynamique des déplacements de la base mobile d’un robot (déplacement au sol) avec les déplacements de son bras manipulateur embarqué.
[Thèse Guillaume Picard -2018-2022 – TSCF] Contrôle de mouvements coordonnés (Plateforme mobile / bras périphérique) pour le positionnement dynamique de l’extrémité du bras vis-à-vis du respect de la distance par rapport à la rangée de végétation a suivre avec une haute précision et en présence d’un terrain naturels (pente, glissements)
[Thèse Ohmid 2018-2022 – TSCF] Contrôle de mouvements coordonnés (Plateforme mobile / bras périphérique) dans le cadre d’objets déformables – L’approche permet au robot de manipuler l’objet sans informations préalables sur la déformation de l’objet. La méthode peut suivre une trajectoire de manipulation souhaitée pour atteindre la forme cible, ce qui conduit à une déformation lisse sans mouvements brusques
Les enjeux applicatifs en relation avec la synchronisation dynamique de la base roulante du robot avec son (ou ses) bras manipulateur(s) en environnements complexes, aléatoires et dynamiques sont à fort potentiels.
On peut citer par exemple :
- Scrutation / observation fine pour détection maladies
- Traitement par application de bio-contrôle
- Récolte différenciée en fonction maturité
Projets « SuperROB & SEMCAR » (2019-2022) Gestion et supervision de flottes de robots agricoles in situ a grande distance et reposant sur des outils logiciels « Open-Source »
Partenaires
Porteurs du projet: Sandro BIMONTE (Directeur de recherche UR TSCF) et Nicolas Tricot -Chargé de Recherche UR TSCF)
Aujourd’hui les constructeurs de robots agricoles ont bien compris la nécessité de dépasser le robot physique et d’associer à leurs machines différents outils logiciels (pour par exemple cartographier automatiquement les parcelles, collecter de données et enrichir ainsi les bases de connaissances liées aux déplacements du(des) robot(s) et des données liées aux outils associés, assurer le monitoring à distance, etc.).
L’offre robotique se développant pour exécuter des travaux différents tout au cours du cycle de production, les utilisateurs finaux des robots se satisferont de moins à moins à l’avenir des solutions captives (matériels et logiciels issus d’un seul constructeur) qui sont les seules existantes aujourd’hui dans un marché naissant.
Il s’avère donc nécessaire de développer des “services” dans le contexte de la robotique agricole (ex : initialiser, lancer et monitorer l’exécution de la mission réalisée par un ou plusieurs robots au sein de la même parcelle provenant d’un même constructeur mais également et surtout de constructeurs différents) grâce à l’exploitation de la donnée robotiques, IoT et agronomique via des architectures open source Big Data.
De 2020 à 2022, l’I-SITE CAP20-25 clermontois (porté par l’Université Clermont-Auvergne et associant différents partenaires académiques) a soutenu le projet SupeRob puis SEMCAR impliquant l’Unité de Recherche TSCF d’INRAE, le laboratoire LIMOS de l’UCA ainsi que des partenaires internationaux (Italie, Tunisie). Un premier squelette d’une architecture générique pour le suivi en temps réel des robots autonomes agricoles et d’autres données IoT a été réalisé dénommé LambdAgrioT. Cette architecture est composée de trois couches principales (aux niveaux Edge, fog, Cloud) qui lui permettent d’analyser les données en temps réel, de coordonner les données de différents appareils et véhicules, et de stocker et d’analyser les données historiques. LambdAgrIoT permet ainsi le suivi et le contrôle en temps réel des activités des robots et de leur gestion sous un environnement / systèmes open source. Elle permet d’intégrer tous types de robots et de capteurs dans ce système de gestion/surveillance. Cette architecture Open source représente une première étape vers un système de gestion de données flexible et interopérable pour les robots.
Essais
Déjà disponibles avec moyens existants
Essais qualification des dispositifs de sécurité embarqués sur les robots agricoles
L’essor des véhicules et robots agricoles autonomes off-road nécessite de prendre en compte la dimension Sécurité. Il est donc indispensable de mettre en place des procédures d’évaluations pour caractériser les différents dispositifs/organes de sécurité des robots agricoles.
Les travaux du projet européen ARPA (Agricultural Robot Performance Assessment focus on Safety functions) (2019-2020) conduit dans le cadre du DIH AgROBOfood par INRAE avec l’implication de plusieurs acteurs (CEREMA, SICK, IFM, Agreenculture, Sitia, Vitibot), ont abouti à l’élaboration de trois premiers protocoles de sécurité pour les robots agricoles.
- ARPA 1 – Qualification systèmes de perception par rapport à la capacité de détection de l’obstacle de référence défini dans la première version de la norme ISO 18497 parue en 2018
- ARPA 2 – Qualification systèmes de perception en milieux perturbées (pluie, brouillard, nuit)
- ARPA 3 – Tests dispositifs (barrières physiques ou virtuelles) de maintien de robot dans sa zone de travail
En 2022, INRAE-TSCF et SHERPA-Engineering dans le cadre de leur laboratoire Commun i-SMART ont travaillé à la proposition d’un quatrième protocole.
- ARPA 4 – Tests en environnements agricoles (rangées vignes, arbres, cultures hautes) de détection mannequin sous différentes configurations
ARPA1 - Détecter et éviter la collision par rapport à obstacle de référence ISO 18497
Le but de ce protocole d’essai est de qualifier la performance des systèmes de détection embarqués sur les robots agricoles. Cette prestation d’essai est réalisée par l’opérateur d’essai Sherpa Engineering. Le protocole d’essai a été élaboré à partir de la norme ISO 18497 – version 1 parue en 2018. (Voir l’extrait ci-dessous)
Marché ciblé : Les fabricants de robots agricoles et de façon plus général robots off-road (Génie civil, Sécurité civile, engins forestiers) et les équipementiers proposant des systèmes de sécurité.
Outils de Reference « terrain » pour le positionnement dynamique des engins
Cet essai met en œuvre un tracker laser permettant d’obtenir une précision spatiale (X,Y,Z) de 10 micromètres à une fréquence d’acquisition de 1 kHz.
ARPA2 - Qualification systèmes de perception en milieux perturbés (pluie, brouillard, nuit)
Ce protocole de test est réalisé par le partenaire et opérateur d’essais CEREMA dans son installation PAVIN – Pluie et Brouillard implantée dans son Centre de Clermont-Ferrand – Zone du Brezet.
Les systèmes de perception sont placés en statique à l’extrémité d’un tunnel soit sur un support prévu à cet effet, soit directement sur le véhicule. Différents types et natures d’obstacles sont disposés à différentes distances des capteurs à tester.
Le principe de l’essai consiste à tester le véhicule ou robot agricole selon différentes conditions de perturbations climatiques:
- Pour la pluie, 5 niveaux de densité de pluie peuvent être générés
- Pour le brouillard, la chambre est amenée à saturation puis des mesures sont effectuées tout au long du temps de dispersion.
ARPA3 - Tests dispositifs (barrières physiques ou virtuelles) de maintien de robot dans sa zone de travail (Geofencing)
Cet essai de qualification des barrières physiques ou virtuelles de geofencing est réalisé par l’opérateur d’essais Sherpa Engineering.
Le protocole de test construit repose sur 3 modes de qualification :
- Le Mode 1 consiste à faire parcourir au robot une trajectoire conçue de manière à couvrir toute la zone donnée
- Le Mode 2 a pour but de faire évoluer le robot sur les bords de la zone d’évolution et de vérifier que celui-ci ne franchie la ligne frontière
- Le Mode 3 est conçu afin de vérifier que le robot s’arrête bien lorsqu’on lui demande de traverser les bords de la zone
Ici, SITIA et VITIBOT réalisent le test en mode 1 (les vidéos sont accélérées)
Ici, vous voyez la machine AgreenCulture faire le test en mode 2. Elle suit les bords. Le suivi de la machine est effectué par un laser tracker absolu et un drone.
ARPA 4 - Tests en environnements agricoles (rangées vignes, arbres, cultures hautes) de detection mannequin sous différentes configurations
Essais pour la caractérisation des performances des robots agricoles / Off-road avec d'outils de référence terrain
La plateforme AgroTechnoPôle offre également la possibilité de réaliser des essais de comportement des véhicules et engins agricoles « autonomes ou non » grâce aux différentes zones d’évolution disponibles sur le site expérimental de Montoldre.
Caractérisation de la précision d’exécution des trajectoires en situations difficiles out-door (pentes, glissements, vitesses élevées) en conditions contrôlées sur differents profils inclinés (pentes de 10 % et 20%) dans la ligne de travail et lors phases de manœuvres
Caractérisation de la précision d’exécution des trajectoires en situations difficiles indoor (corridor, bâtiments fermes et semi-fermes) en conditions contrôlées
Essais précision des trajectoires des outils embarqués sur base robotique mobile (actions de détection/positionnement 3D, actions de récolte)
Disponibles fin 2024 avec nouveaux moyens en cours de réalisation
Essais pour la caractérisation des performances des robots agricoles / Off-road avec d'outils de référence terrain
Essais de franchissement en présence de fortes pentes (45%, 60 %)
Essais endurance dans zones d’évolution sécurisée de grande surface aménagée à la demande
(obstacles négatifs et positifs, fixes et mobiles, rangées de végétation artificielles de différents types, …)
Essais sollicitations dynamiques en environnements contrôlés
(Pistes d’excitation ISO 5008) (ex : mise en défauts de calibration de systèmes de perception, tenue comportements dynamiques …)
