Approche générique pour la coordination des manipulateurs mobiles en milieu naturel - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Generic approach for the coordination of mobile manipulators in natural environments

Approche générique pour la coordination des manipulateurs mobiles en milieu naturel

Résumé

Nowadays, the agricultural field is confronted with strong environmental and societal challenges, while the production level needs to be preserved. These challenges are met by agroecology, which redefines the framework of conventional agriculture through the development of new crop and livestock production itineraries, enabled by the contribution of new technologies and the growth of agronomic knowledge. In this new paradigm, robots may brings new solutions, thanks to their autonomy of work and their precision, allowing them to consider new agricultural methods. Among the latter, a class of systems, capable of combining mobility and manipulation capacities, has strong potential due to their great versatility: mobile manipulators.These systems have been widely studied in the context of agricultural applications, particularly harvesting, but have still not found a place in our countryside. Indeed, their control is often designed separtely with a sequencial motion of the platform and the implement, limiting their efficiency. These systems have a wide range of structures and complexity, aggregating subsystems with different dynamics and constraints that must be made to work together, implies the development of complex coordinated control approaches allowing to exploit at best the capacities of these systems. Moreover, this coordination must be carried out in complex environments subject to strong disturbances, such as the natural environment, without failing or marring the achievement of the task. Finally, the redundancy offered by these structures allows multiple tasks to be performed simultaneously but requires a robust resolution scheme to determine the optimal system configuration for the successful completion of the task. The contributions of this thesis propose different answers to these problems to allow the rising of such systems to allow the ecological transition of agriculture. These works propose, at first, because of the state of the art, a classification of the coordination methods developed since the study of these systems. Then, based on these results, a generic coordination method is proposed, able to handle to different structures of mobile manipulators. Finally, to address the problem of disturbances generated by work in a natural environment, a generic approach for estimating the compensation for disturbances will be proposed as the last contribution.While the majority of the works in the state of the art tends to unify the system under a single model and a single control, it also appears that the majority of the robots sold are single-task or not very versatile systems, representing a high investment for the operator. However, an unified coordinated control under a single model can hardly bring versatility to the system because of its rigidity. In this work, an approach to decoupling both the models and the controls of each subsystem of the mobile manipulator is presented. This method couples through generic terms to each control of the mobile manipulator subsystems, thus providing a paradigm where the type of base and arm, as well as the number of manipulators, does not matter in the coordination scheme. To test this approach, several simulation and experimental tests were conducted on different types of platforms. The latter have highlighted the generality of the approach as well as its performances and interests in a canonical case as well as in an applicative case carried out in a natural environment. (...)
Aujourd’hui, le domaine agricole est confronté à de forts enjeux environnementaux et sociétaux, avec la nécessité de préserver les niveaux de production. Ces enjeux trouvent une réponse au sein de l'agroécologie qui redéfinit le cadre de l'agriculture conventionnelle par le développement de nouveaux itinéraires de culture ou d'élevage, permit par l'apport des nouvelles technologies et la croissance de la connaissance agronomique. Dans ce nouveau paradigme, les robots trouvent une place de choix grâce à leur autonomie de travail et leur précision, permettant d'envisager de nouvelles méthodes agricoles. Parmi ces derniers, une classe de système, capable d'allier des capacités de mobilité et de manipulation, possède un fort potentiel du fait de leur grande polyvalence : les manipulateurs mobiles.Ces systèmes ont largement été étudiés dans le cadre d’applications agricoles, notamment la récolte, mais n’ont toujours pas trouvé de place au sein de nos campagnes. En effet, ceux-ci sont souvent exploités en distinguant le déplacement de la plateforme mobile et les actions de l'effecteur, ce qui nuit à leur efficacité. En outre, ces derniers possèdent des structures très variées et leur complexité, agrégeant des sous-systèmes avec des dynamiques et des contraintes différentes qu'il convient de faire travailler ensemble, implique la mise au point d'approches de commande coordonnées complexes permettant d’exploiter au mieux les capacités de ces systèmes. Par ailleurs, cette coordination doit être effectuée dans des milieux complexes soumis à de fortes perturbations, tel que l'environnement naturel, sans tomber en défaut ou entacher la réalisation de la tâche. Enfin, la redondance offerte par ces structures permet d’effectuer plusieurs tâches simultanément mais nécessite un schéma robuste de résolution pour déterminer la configuration optimale du système pour la bonne réalisation des travaux. Les contributions de ces travaux de thèse proposent différentes réponses à ces problématiques afin de permettre l'émergence de tels systèmes dans le monde agricole de demain. Ces travaux proposent, dans un premier temps, au vu de l'état de l'art, une classification des méthodes de coordination développées depuis l'étude de ces systèmes. Par la suite, en se basant sur ces résultats, une méthode de coordination générique est proposée, capable de s'adapter à des structures différentes de manipulateurs mobiles. Enfin, pour répondre à la problématique des perturbations engendrées par le travail en milieu naturel, une approche d'estimation de compensation des perturbations, elle aussi générique, sera proposée comme dernière contribution. Alors que la majorité des travaux présents dans l’état de l’art tendent à vouloir unifier le système sous un seul modèle et une seule commande, il apparaît également que la majorité des robots vendus sont des systèmes mono-tâche ou peu polyvalents, représentant un investissement élevé pour l’exploitant. Or, une commande cordonnée unifiée sous un seul modèle peut difficilement apporter de la polyvalence au système du fait de sa propre rigidité. Dans ces travaux, une approche découplant à la fois les modèles et les commandes de chaque sous-système du manipulateur mobile est présentée. Cette méthode réalise un couplage à travers des termes génériques à chaque commande des sous-systèmes du manipulateur mobile, offrant alors un paradigme où le type de base et de bras, ainsi que le nombre de manipulateurs n’importe pas dans le schéma de coordination. Afin de tester cette approche, plusieurs essais en simulation et expérimentaux ont été menés sur différentes plateformes. Ces derniers ont mis en évidence la généricité de l'approche ainsi que ses performances et intérêts dans un cas canonique ainsi que un cas applicatif réalisé en milieu naturel. (...)
Fichier principal
Vignette du fichier
2022UCFAC099_PICARD.pdf (5.76 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)
Licence : CC BY NC ND - Paternité - Pas d'utilisation commerciale - Pas de modification

Dates et versions

tel-04165297 , version 1 (18-07-2023)

Licence

Paternité - Pas d'utilisation commerciale - Pas de modification

Identifiants

  • HAL Id : tel-04165297 , version 1

Citer

Guillaume Picard. Approche générique pour la coordination des manipulateurs mobiles en milieu naturel. Automatique / Robotique. Université Clermont Auvergne, 2022. Français. ⟨NNT : 2022UCFAC099⟩. ⟨tel-04165297⟩
47 Consultations
33 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More