Motion coordination of a bi-arm mobile system to perform complex tasks of navigation and manipulation in a strongly dynamic environment
Coordination des mouvements d'un système mobile bi-bras pour la réalisation de tâches complexes de navigation et de manipulation dans un environnement fortement dynamique
Résumé
This thesis explores the development of innovative solutions to automatize navigation and manipulation agricultural tasks in orchards field. The considered tasks are various, ranging from analysis to spraying or even to fruit harvesting. This environment introduces many challenging constraints which must be faced to design efficient automation solutions. First, an accurate localization cannot be achieved during the mission because of GNSS signal losses due to the canopy. The navigation must then rely on measurements from embedded sensors such as odometers, cameras or lasers. Moreover, the studied environment is natural and dynamic : leaves or fruits motion in the trees, variability due to the seasons, etc. Thus, the classic metric methods for modeling, localization, and planning require regular updates which are known to be highly time consuming. For these reasons, in this work, it has been chosen to develop sensor based control strategies which are known to be less sensitive to the environment evolution. This manuscript is divided in two parts. The first one focuses on navigation and presents an entire strategy matching orchard fields constraints. Among the contributions, some sensor-based controllers have been built to perform various shapes of U-turns. They have been validated in simulation and in an experimental context. The second part of the manuscript deals with manipulation. A vision-based strategy has been developed to control a multi-arms and multi-cameras system. This strategy, based on predictive control techniques, allows to take into account different constraints (space sharing, collisions, etc.). This approach has been analyzed in simulation and the results seem very promising for real experiments. Finally, the last part summarizes the main contributions and proposes future interesting research leads.
Cette thèse explore le développement de solutions innovantes pour automatiser les tâches de navigation et de manipulation dans le contexte agricole et plus particulièrement dans les vergers. Les tâches concernées varient de l'analyse au traitement ou encore au ramassage de fruits. Cet environnement introduit de nombreuses contraintes. D'abord, le robot naviguant entre des rangées d'arbres, ne peut se localiser précisément via un signal GNSS du fait de la canopée. La navigation reposera donc sur des mesures effectuées par des capteurs embarqués tels que des encodeurs, des caméras ou des scanners laser. Ensuite, l'environnement étudié est naturel et donc dynamique : mouvement des feuilles ou des fruits dans les arbres, variabilité due aux saisons, etc. De ce fait les méthodes classiques de modélisation, de localisation et de planification métriques nécessitent des mises à jours très régulières et sont ainsi très coûteuses en temps de calcul. C'est pourquoi, cette thèse vise à développer des stratégies de commande basées sur des asservissements par retour de sortie moins sensibles à l'évolution de l'environnement. Ce manuscrit s'articule en deux parties. La première est consacrée à la navigation et présente une stratégie complète adaptée aux spécificités des vergers. Des lois de commande référencées capteurs ont notamment été synthétisées afin de réaliser des demi-tours de différentes formes. Elles ont été validées en simulation puis dans un cadre expérimental. La seconde partie du manuscrit s'intéresse à la manipulation. Une stratégie de commande référencée vision a été synthétisée pour contrôler les mouvements d'un système multi-bras et multi-caméras. Cette stratégie, basée sur les techniques de commande prédictive, permet de prendre en compte les différentes contraintes et de gérer les problèmes de collision. Cette approche a été analysée en simulation et les performances obtenues apparaissent très intéressantes dans l'optique d'une mise en œuvre réelle. Enfin, la dernière partie du manuscrit récapitule les principales contributions effectuées et met en exergue les pistes restant encore à explorer.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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