Génération active des déplacements d'un véhicule agricole dans son environnement

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Submitted on 13 Feb 2012

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Génération active des déplacements d’un véhicule agricole dans son environnement

Pierre Delmas

To cite this version:

Pierre Delmas. Génération active des déplacements d’un véhicule agricole dans son environnement.

Autre. Université Blaise Pascal - Clermont-Ferrand II, 2011. Français. �NNT : 2011CLF22110�. �tel-

00669534�

EDSPIC : 515

UNIVERSITÉ BLAISE PASCAL - CLERMONT II

ÉCOLE DOCTORALE

SCIENCES POUR L'INGENIEUR DE CLERMONT-FERRAND

Thèse

Présentée par

Pierre DELMAS

pour obtenir le grade de

Doteur d'Université

Spéialité : Eletronique et Systèmes

Génération ative des déplaements

d'un véhiule agriole dans son environnement

Soutenue publiquement le 24 février 2011 devant le jury :

M. Abderrafìâa KOUKAM Professeur(UTBM) Président

Mme. Véronique CHERFAOUI MaîtredeConférenesHDR (UTC) Rapporteur

M. SimonLACROIX DireteurdeReherhe(LAAS) Rapporteur

M. Christophe DEBAIN ChargédeReherhe(Cemagref) Examinateur

M. Roland LENAIN ChargédeReherhe(Cemagref) Examinateur

M. Roland CHAPUIS Professeur(UBP) Direteur de thèse

ThèseonanéeparleCemagrefetleonseilRégionald'Auvergne.

Dans es travaux, nous proposons un système de guidage automatique

pour lanavigationsûre d'unrobotmobiledans un mondeouvert. Leprinipe

est de ontrler la diretion et la vitesse du véhiule an de préserver

son intégrité physique et elle de son environnement. Cela se traduit par

la généralisation du onept d'obstale permettant d'estimer l'espae de

vitesses admissibles par le véhiule en fontion de la surfae de navigation,

des apaités du véhiule et de son état. An d'atteindre et objetif, le

système doit pour haque itération : 1) fournir à la tâhe de pereption une

zone sur laquelle elle devra foaliser son attention pour la reonstrution de

l'environnement; 2) générer des trajetoires admissibles par le véhiule; 3)

estimer le prol de vitesse admissible pour haune d'entre elles; 4) pour

nir, séletionner la plus optimale par rapport à un ritère prédéni. Des

résultatssimulés et obtenus sur un démonstrateur réel permettent d'analyser

les performanes obtenues du système fae à des sénarios divers et en

démontre lapertinene.

Mots lefs : guidage automatique, robot non-holonome, préserva-

tion de l'intégrité physique, génération de trajetoire, système ognitif,

transfert de harge, stabilité.

Abstrat

Inthis work,weproposeanautomatiguidane systemforsafenavigation

of a mobile robot in an open environment. The priniple is to ontrol the

diretion and the speed of the vehile in order to preserve its physial

integrity and that of its environment. That results in the generalization of

obstale's onept to estimate the admissible speeds of the vehile taking

into aount the surfae navigation, the apabilities of the vehile and

its state. To aomplish this objetive, the system has to; 1) provide to

the pereption task an area on whih it an fous its attention to build

the environment, 2) generate aeptable trajetories by the vehiles; 3)

estimate the admissible speed prole for eah of them, 4) nally, selet

the most optimal with respet to a predened riterion. Simulated and real

resultsshowtheperformaneofthesystemobtainedagainstvarioussenarios.

Keywords : automati guidane system, non holonomi robot, physial

integritypreservation, trajetorygeneration, ognitivesystem, load transfert,

stability.

Remeriements

Bien queette partie soiten début de mon manusrit, elleonlut epen-

dant un peu plus de trois années de travail réalisées au sein du Cemagref

de Clermont-Ferrand (dirigé par Anne Rizand) ave l'étroite ollaboration

du LASMEA (dirigé par Mihel Dhome). Ces deux établissements me

proposèrent un adre de reherhe onfortable et des moyens tehniques de

qualité, je leur adresse mes sinères remeriements. Je souhaite remerier

Simon Laroix et Véronique Cherfaoui pour avoir rapporté sur mes travaux

ainsi que Abderrafìâa Koukam (président) et tout le jury présent lors

de la soutenane. Leur intérêt pour mes travaux ainsi que les éhanges

sientiques furent très enrihissants. De plus, je tiens à remerier le onseil

Régionald'AuvergneainsiqueleCemagrefpourlenanementdeettethèse.

La première personne que je voudrais évoquer est sans nulle doute

Christophe Debain. Bien que j'ai souvent disuté ses diretives, il m'aurait

été impossible de réaliser un travail de ette qualité sans son sens de l'appli-

atif etson expériene. En eet, il fut toujours prêt àretrousser ses manhes

et sortir sa boîte à outils lorsque la situation l'exigeait et pour le remerier

omme il se doit, je tenais à passer une annone. Ayant eu l'oasion de

partager son bureau, je lui reommande d'embauher une serétaire vu le

nombre de oups de lsreçus dans une journée.

Je souhaite remerier profondément Roland Chapuis mon direteur de

thèse. Je me souviens des débuts diiles, où à haque fois que l'on se

renontrait je nissais par lui devoir plusieurs bountys. Malgré un emploi

du temps digne d'un ministre, il fut toujours disponible lors des moments

ruiaux de ma thèse. Ses onseils avisés et son idéologie ont été pour moi

une soured'inspiration etun exempleà suivre. Enore une fois, Meri.

Je souhaite remerier tout le personnel du Cemagref pour leur aueil

haleureux dans et établissement. Notamment, Emmanuel Hugo hef de

l'unité TSCF qui a eu onane en moi pour la réalisation de mes travaux.

Maisaussi,lesmembresdel'équipeTEAM(aniennementMOBITECH)ave

Roland et Niolas que je n'ai pas réussi à battre à la pétanque; Christophe

ave qui j'ai partagé pas mal de galères sur Aroo; Eliane mon indi dans

le monde obsur de l'administration; Mihel, animateur de l'équipe, qui fut

toujours présent dans les nombreuses manifestations réalisées; ainsi que les

autres : Philippe,Thierry, Bernard, Oliver, Mathieu, et Pierre.

Je remerie aussi tout le personnel du LASMEA ave qui j'ai eu l'o-

asion de travailler. Mais plus partiulièrementDamien, Thomas, Guillaume

etMaximequi fonttous partie du même bureau. Durant mathèse,on aurait

pu l'appeler le bureau des pleurs où l'on va pour vider son sa et faire un

break.Jeleurssouhaiteprofondémentlaréussitepourlasuitedeleurstravaux.

Il me serait impossible de ne pas remerier Florent mon partenaire de

galère. Florent est le seul type que je onnaisse apable de lire une image

diretement par la matrie sans la déoder. Je qualierai Florent omme

un modeleur de vide, un destrutureur d'intemporalité tant sa reherhe de

la perfetion d'un point de vue sientique et tehnique est aboutie. Nos

disussions sientiques et humaines ont été très enrihissantes et ont révélé

un atout indéniable pour la réalisation de es travaux. Ce fut pour moi un

véritable plaisir de travailler ave lui. Pour nir Florent, je reprendrais la

élèbre réplique de Clint Eastwood : "Florent, tu vois le monde se divise en

deux atégorieseuxquiontnileur thèseeteux quiériventleurmanusrit

toitu éris".Courage, tuas bientt ni.

Pour nir, je remerie mes amis qui m'ont permis de souer un peu lors

ette thèse etm'ontsoutenulors des momentsépineux. Je remerie aussi ma

familleàquijen'ai pas purendrebeauoupde visitesdurantes annéesmais

qui m'a toujours suivi dans les hoix que j'ai réalisés. Je tenais à leur dire

que : "Promis maintenant que je suis à Ba + 8, j'arrête les études". Lors

de ette période, j'ai eu le malheur de perdre un onle et une tante. Pour

François etFrançoise, je n'oublierai pas les moments passés ave vous.

Mesremeriementsétanttroplongsetlavieétanttropourte,jeonlurai

don en dédiant es travauxà tous lesmoments heureux que j'ai passés ave

haun et espère en passer enore beauoup d'autres.

1 Introdution Générale 1

1.1 Présentation des systèmes de guidage automatique en monde

ouvert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 Contexte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2.1 Objetifs à atteindre pour le système . . . . . . . . . . 5

1.2.2 Contraintes du système . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.3 Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.4 Organisationdu mémoire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2 Problématique - Comment assurer l'intégrité physique d'un véhiule? 9 2.1 Les diérentes méthodes de préservation d'intégrité physique du véhiule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.1.1 Lesméthodes d'évitement réatif d'obstales . . . . . . 9

2.1.2 Méthodes de prévention du renversement d'un véhiule 15 2.1.3 Méthodes basées sur la traversabilitédu terrain . . . . 17

2.1.4 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.2 Méthodologie proposée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.2.1 Introdution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.2.2 Vers une approhe globale . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.3 Objetif des travaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3 Méthode proposée pour préserver l'intégrité physique d'un véhiule évoluant dans un monde ouvert 23 3.1 Espae des vitesses admissibles . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.2 Zone d'intérêt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.2.1 Notion d'intégritéde navigation . . . . . . . . . . . . . 27

3.2.2 Capaités de mobilité du véhiule . . . . . . . . . . . . 30

3.2.3 Zone d'intérêt nale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.3 Génération de trajetoires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.3.2 Modélisationinématique du véhiule . . . . . . . . . . 34

3.3.3 Commande quadratiqueoptimale nie d'ordre

N

3.3.4 Générateur de trajetoires parallèles . . . . . . . . . . 40

3.3.5 Conlusions sur la génération de trajetoires . . . . . . 42

3.4 Prol de vitesse admissible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.4.1 Grilled'élévation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.4.2 Posé de robot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.4.3 Filtrage des évolutions du tangage et du roulis grâe à la prise en ompte des suspensions . . . . . . . . . . . 47

3.4.4 Conditions de stabilité : Transfert de Charge . . . . . . 51

3.4.5 Détermination du prol de vitesse . . . . . . . . . . . . 52

3.4.6 Admissibilité du prol par rapport aux apaités du véhiule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

3.4.7 Conlusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.5 Séletion de lastratégiede ommande optimale . . . . . . . . 55

3.5.1 L'éart latéral :

A

3.5.2 L'éart vitesse :

A

3.5.3 Dépense Energétique :

J

3.6 Conlusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

4 Analyse du omportement du véhiule dans un environ- nement simulé 59 4.1 Présentation de notre simulateur . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4.1.1 Motivations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4.1.2 Modélisationdu véhiule . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.1.3 Limites du simulateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

4.2 Résultats ave une loalisation du véhiule et une reonstru- tion du mondeparfaites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

4.2.1 Sénario n1 : déplaement du véhiule sur un sol plat . 63 4.2.2 Sénarion2:Solplatavedesobstalesinfranhissables le long de la trajetoire de référene. . . . . . . . . . . 67

4.2.3 Sénario n3 :Sol plat ave des obstales franhissables à vitesse faiblele long de latrajetoire de référene. . . 70

4.2.4 Bilan des sénarios présentés . . . . . . . . . . . . . . . 72

4.3 Résultatsaveune loalisationetune reonstrutiondumonde réelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

4.3.1 Présentation du système de pereption . . . . . . . . . 74

4.3.2 Sénario 1: solplat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

4.3.3 Sénario 2: Un solplat ave un obstaleinfranhissable 79

5 Expérimentations ave un véhiule réel 83

5.1 Dispositif expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

5.1.1 Levéhiule AROCO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

5.1.2 Lesapteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

5.1.3 Identiationdesparamètresutilespourl'expérimenta- tion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

5.1.4 Protooles d'expérimentation . . . . . . . . . . . . . . 89

5.2 Résultatsobtenus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

5.3 Conlusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

6 Travaux en ours - Perpetives 99 6.1 Représentation ontinue de l'environnement . . . . . . . . . . 99

6.2 Uneloi de ommande hainée exate . . . . . . . . . . . . . . 101

6.3 Unegénération de trajetoires basée sur un tirage aléatoirede laommande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

6.4 Utilisationd'un véhiulevirtuel . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

Conlusion 107 A Etude Dynamique Véhiule 111 A.1 Transfert de hargeLatéral. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

A.1.1 Présentation du modèle etdes repères assoiés . . . . . 111

A.1.2 Etude dynamique pour le as latéral . . . . . . . . . . 112

A.2 Transfert de hargeLongitudinal . . . . . . . . . . . . . . . . 118

A.2.1 Présentation du modèle etdes repères assoiés . . . . . 118

A.2.2 Etude dynamique pour le as longitudinal . . . . . . . 119

Bibliographie 127

1.1 Vue d'artisted'un rover MERà lasurfae de Mars . . . . . . 3

1.2 Les deux véhiules vainqueurs du onours organisé par DARPA en 2005 et2007. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.3 Undes véhiules Overland quia réalisé 13000

km

1.4 Levéhiule expérimental RobuFAST . . . . . . . . . . . . . . 5

1.5 Contexte de e mémoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.1 Prinipe de la méthode de Champs de Potentiel . . . . . . . . 10

2.2 Prinipe de la méthode du Vetor Field Histogram(VFH) . . 11

2.3 Prinipe de la méthode Curvature-Veloity . . . . . . . . . . . 12

2.4 Prinipe de la méthode des diagrammesde proximité . . . . . 13

2.5 Véhiule léger tout-terrain du Cemagref utilisé pour l'évalu- ation des risques de renversement (Quad Massey Fergusson MF400H) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.6 Lesdeux approhes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.7 Gestiondes ressoures du système . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.1 Illustrationde laaratérisation de l'environnement en vitesse admissible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.2 Présentation des diérentes étapes de notre système . . . . . . 25

3.3 Passaged'unontexte globalversunontexte loal(aveleap préis)selon trois hypothèses de loalisation(H1,H2 etH3) . 28 3.4 Passage d'un ontexte global vers un ontexte loal (position préise)selon trois hypothèses de loalisation(H1, H2 etH3) . 29 3.5 Zoned'attentionenfontiondesapaitésdemobilitéduvéhiule 32 3.6 Zone d'attention nale du système. . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.7 Modèle Cinématique du véhiule. . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.8 Déterminationde laommande du véhiule. . . . . . . . . . . 36

3.9 Diérentes préditions de la trajetoire parallèle à elle de référene d'éart latéral

Γ = 2m

S