La robotique au champ?

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1 La robotique au champ? Michel Berducat Irstea - Clermont-Ferrand Symposium Les agroéquipements et le développement durable 26 et 27 septembre DIJON

2 - «C est quoi un robot?» - Accroissement de l autonomie des machines : Exemples de défis et verrous scientifiques - «le toujours plus gros» est il irrémédiable? 2

3 C est quoi un robot? Définition 1: (Source Wikipédia) - «Systèmes dotés d une souplesse d utilisation capables d exécuter sans relâche des tâches pénibles et fastidieuses (voir dangereuses)» [ex dans l industrie: peinture, soudage, ]» Déclinaison pour l agriculture : le Robot de traite Un réel succès depuis les premiers développements dans les années 90!!! Source : CRAB 2012 : - Plus de 3000 exploitations françaises équipées d un robot de traite (4-5% des exploitations) - Marché mondial: 5000 robots/an (source : Fédération Internationale de Robotique) 3

4 C est quoi un robot? Définition 2: - «Systèmes dotés d un certain degré d intelligence et des moyens de perception et de commande associés permettant de réagir seuls à un changement de circonstances (dont situations imprévues) dans l environnement de travail» Déclinaison pour l agriculture : Robots mobiles pour l élevage évoluant dans des espaces structurés que sont les bâtiments d élevage: - années 2000 : robot de nettoyage, robots pousse-fourrage - années 2010: robots distribution d alimentation Source : lafranceagricole Source : OuestFrance Source : lafranceagricole Source : PaysanBreton Source : BulletinAgriculteur Quebec Source : Irstea 4

5 Vers de nouveaux apports de la recherche : Exemple: Travaux Institut-Pascal LABEX IMoBS3 Société Innovante Kinetic Véhicules VIPA Source : IP Système de localisation/navigation par mémoire d images Reconstruction simultanée de points 3D locip.wmv 5

6 Systèmes «robotisés» pour les espaces ouverts, semi ou non structurés : encore un challenge Déclinaison à l agriculture : maraichage, grandes cultures Exemples prototypes de : - laboratoires - sociétés innovantes, constructeurs Source : Tsukuba Agri Research Center (J) Source : NaîoTechnologies (F) Source : Univ Osnabruk (D) Source : Effidence.wmv Source : La Vigne magazine (F) Dr Peter Pickel Secrétaire plateforme MANUFUTURE AET (Agricultural Engineering and Technologies) 14 juin 2012 SmartAgrimatics - Paris Source : BlueRiver (USA) 6

7 Niveaux de responsabilité? Commencer par se rattacher à un référentiel : ex Directive Machine 2006/42/CE «La machine doit être conçue et construite pour être apte à assurer sa fonction et pour qu'on puisse la faire fonctionner, la régler et l'entretenir sans exposer quiconque à un risque lorsque ces opérations sont effectuées dans les conditions prévues par le fabricant, mais en tenant également compte de tout mauvais usage raisonnablement prévisible. Les mesures prises par le fabricant doivent avoir pour objectif de supprimer tout risque durant la durée d'existence prévisible de la machine. Source : Univ Copenhague (DK) 7

8 Niveaux de responsabilité? dans l attente de disposer à terme d un cadre réglementaire plus adapté : Voir également : Working Draft ISO/WD : Earth-moving machinery Autonomous machine safety 8

9 C est quoi un robot pour les espaces ouverts? Une hiérarchisation s impose dans le degré d autonomie - «robots» télécommandés (NB : le cas de la majorité des robots militaires d aujourd hui!!!) - robots semi-autonome - robots autonomes.qui permet de bien identifier/resituer la place de l opérateur dans la boucle de contrôle et de surveillance du robot dans la réalisation de sa tâche => Constat : présence/ proximité/ rôle à jouer de l opérateur encore pour longtemps!! Evolution du rôle de conducteur/opérateur au rôle de superviseur 9

10 - «C est quoi un robot?» - Accroissement de l autonomie des machines: Exemples de défis et verrous scientifiques - «le toujours plus gros» est il irrémédiable? 10

11 Source : Univ Copenhague (DK) Performance et Fiabilité des niveaux : Perception + Décision + Action pour garantir le contrôle de la mobilité et la sécurité (fusion multicapteurs, Intelligence Artificielle, redondance architectures informatiques ) 11

12 Perception de l environnement Localisation multimodale globale/locale Notion d intégrité Slag.wmv Semis.wmv 12

13 Perception de l environnement Reconstruction de l environnement dynamique pour la gestion de la traversabilité Velodyne.wmv Aroco-obs.wmv + radar panoramique Radar-pano.wmv 13

14 Contrôle d un système robotisé à dynamiques incertaines et variables dans environnements complexes Contrôle en présence de glissements aroco4ws.wmv 2WS (hyp RSG) 2WS + glissements 4WS + glissements Ecart lateral (m) Écart latéral : 2WS glissements 2WS RSG 4WS Abscisse curviligne (m) glissements Ecart angulaire ( ) Écart angulaire : 4WS glissements 2WS 2WS glissements RSG Abscisse curviligne (m) 14

15 Contrôle d un système robotisé à dynamiques incertaines et variables dans environnements complexes Contrôle d ensemble poly-articulés (ligne de travail, ½ tour) Aroco-DemiTour.wmv 15

16 Contrôle d un système robotisé à dynamiques incertaines et variables dans environnements complexes Commande à haute vitesse Spinround.wmv Suivi6ms.wmv 16

17 Contrôle d un système robotisé à dynamiques incertaines et variables dans environnements complexes Maintien stabilité dynamique LimitLTT.wmv QuadLTT.wmv 17

18 Supervision/ Interactions - Replanification / Pondération en ligne de modes de fonctionnement (semi)autonomes - Interactions mobilité avec outil(s) effecteur(s) dans le cadre de l opération (agricole) particulière à réaliser SimuOutil.wmv - Interactions Homme-Machine (réalité augmentée, cobotique ) 18

19 Des outils de simulation au service des chercheurs Objectifs : Accélérer les développements simutracs.wmv 19

20 - «C est quoi un robot?» - Accroissement de l autonomie des machines : Exemples de défis et verrous scientifiques - «le toujours plus gros» est il irrémédiable? 20

21 1 ère voie : tendance de l évolution du marché Évolution des puissances des matériels en France (source AXEMA) - tracteurs standards : 21

22 1 ère voie : tendance de l évolution du marché Avantages : - rendement de chantier important - maintien compétitivité économique - Limitations : - compaction du sol - difficulté contrôle grandes largeurs de travail par rapport à certains profils du terrain - «hors gabarit» / réseau routier - Augmentation de la taille des machines : Où est la limite? 22

23 Eléments biblio extraits du rapport CE 2004 (EUR EN/6) - Groupe de Travail «Stratégie pour la protection des sols» : «Contrairement à la couche arable, le sous-sol n est pas chaque année relaxé et le degré de compaction se cumule d année en année, créant sur le long terme une couche compactée plus ou moins homogène. La résilience du sous-sol à la compaction est faible et la compaction persistante. La compaction des sols est estimée à l origine de la dégradation de 33 millions d hectares en Europe. Bien que les conclusions de plusieurs chercheurs sur la compaction des sols soient connues maintenant depuis plusieurs années, ces connaissances semblent être négligées par les constructeurs et utilisateurs de machines agricoles toujours plus lourdes. Les savoir-faire techniques sont majoritairement mis au service de l amélioration du confort du conducteur, des performances de récolte, tandis que la protection des sols profonds semble être considérée comme un problème secondaire. Cependant sur le long terme, des nuisances en terme de baisse de la fertilité et de profitabilité des sols surviendront au frais des agriculteurs et de la société toute entière. Une circonstance aggravante est générée également par les changements climatiques. Dans les pays d Europe de l Ouest, les précipitations augmenteront en hiver, et seront concentrées en été sur des périodes courtes de fortes précipitations séparées par des périodes de sécheresses plus longues. La réduction des capacités d infiltration et de stockage de l eau par les sols dus au sous-sol compacté conduira à l accroissement du risques de lessivage et d érosion des sols, de la pollution des eaux de surfaces par les substances nutritives ou autres éléments chimiques utilisés en agriculture». EUR EN/6, 872 pp Office for Official Publications of the European Communities, Luxembourg

24 1 ère voie : tendance de l évolution du marché Controlled Traffic Farming (Source Station ART Tänikon - Suisse) 24

25 Vers des chantiers robotisés avec un opérateur superviseur à distance Ex. travaux : John-Deere - Université Carnegie Mellon Pittsburgh USA Chantier de récolte automatisé de tourbière (Source Journal of Field Robotics June/July2009 ) Development and implementation of a Team of Robotic tractors for autonomous Peat Moss harvesting 25

26 Vers des chantiers robotisés avec un opérateur superviseur à distance (Source CNH) 26

27 2ème voie : Proposition de certains laboratoires de recherche Petits robots pour une «Agriculture de Précision à l échelle de la plante» (Wageningen Univ source) (Source ATB) (Illinois Univ source) Bonirob (Amazone, Bosh, Osnabrük) (Source Univ Osnabrük) 27

28 2ème voie : Proposition de certains laboratoires de recherche Petits robots pour une «Agriculture de Précision à l échelle de la plante» Concepts pour l implantation, suivi, récolte des cultures ( source : B.S. Blackmore and all «A specification for an autonomous crop production mechanization system» University of Thessay, Volos, Greece, ICPA, 9th Denver, July 2008, 16p) 28

29 2ème voie : Proposition de certains laboratoires de recherche Petits robots pour une «Agriculture de Précision à l échelle de la plante» Avantages : - pas de problème de compaction (encore que!!) - intervention au champ 365 jours/an - Limitations : (Source Univ Bonn) - faible rendement de chantier par machine - difficulté de contrôle simultané d un très grand nombre de robots - 29

30 2ème voie : Proposition de certains laboratoires de recherche Petits robots pour une «Agriculture de Précision à l échelle de la plante» Concept envisageable pour : - productions à hautes valeurs ajoutées (fleurs, cultures maraîchères ) - conditions de travail difficiles (ex. rizières ) Concept pas réellement adapté à la production céréalière Nombre de robots nécessaires pour réaliser les opérations de récoltes? Surface mondiale production blé : 250 M ha Europe(27) : 52 M ha USA : 25,8 M ha Chine : 45 M ha Russie : 25 M ha 30

31 3ème voie : Coopération de machines de taille moyenne Machine leader avec un pilote Machines «ailiers» en mode automatique Concept Cooperation.wmv - haut degré de modularité (possibilité de travailler seul ou en association) Cooperation1.wmv Cooperation.wmv 31

32 3ème voie : Coopération de machines de taille moyenne Avantages : - rendement de chantier compatible avec compétition mondiale - possibilité de bénéficier plus facilement des retombées des futurs composants de l automobile + repenser architectures des véhicules - Tracteur à «hydrogène» NH2 (source Terrenet) Limitations : - Capacité d un opérateur à surveiller plusieurs machines travaillant en groupe - entretien/maintenance - déplacement sur route 32

33 «Le toujours plus gros» est il irrémédiable? ex: Valtra: ANTS concept (Source Valtra) ex: Claas: ETrion 400 concept (source Terrenet) 1 ere voie : pas l unique solution!! 2 nd voie, 3 eme voie, 4 eme, 5 eme autres solutions à encourager avec tous les acteurs (et pas seulement laboratoire de Recherche et Constructeurs) 33

34 Intégration de machines intelligentes/robotisées dans un système de production globale : quelles conditions à satisfaire? Offre(s) Technologique(s) et de Services (ex: distribution, maintenance ) Contraintes Générales (ex: standards communication, interopérabilité) Demande(s) /Besoins des Clients Règlementation (ex sécurité) Ressources nécessaires (ex disponibilité infrastructures générales [balises, supports de communication, télématiques ]) 34

35 Solutions robotisées : pas seulement une dimension technologique Compensation déficit Main d oeuvre Qualité du travail Design du produit Perception de la Société Interface Homme- Machine Architectures mécatroniques (conventionnelle /en rupture?) Robots Agricoles Source énergie Motorisation (rendement /autonomie?) Perception Contrôle /Commande Respect Environment Performances /rendement chantier Adoption économique Décision /Supervision Facilité utilisation Sécurité /responsabilité Suppression pénibilité travail, astreintes 35

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