Contribution à la commande de robot mobile poly-articulé à roues sur sol naturel : application à la conduite autonome des engins agricoles

par Christophe Cariou

Thèse de doctorat en Vision pour la Robotique

Sous la direction de Philippe Martinet.

Soutenue le 02-04-2012

à Clermont-Ferrand 2 , dans le cadre de École doctorale sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand) , en partenariat avec Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme) (équipe de recherche) .

Le président du jury était Christian Laugier.

Le jury était composé de Yvan Baudoin, Pascal Morin, Joanny Stephant, Benoît Thuilot, Roland Lenain.

Les rapporteurs étaient Yvan Baudoin, Pascal Morin.


  • Résumé

    L'agriculture est un secteur d'activité qui est confronté aujourd'hui à des objectifs d'accroissement de productivité pour subvenir aux besoins alimentaires de la population mondiale en pleine explosion démographique. Cependant, cette activité sollicite fortement les biens environnementaux tels que l'eau et le sol, et des solutions sont aujourd'hui recherchées pour limiter l'incidence des pratiques agricoles sur l'environnement. Les systèmes de guidage des véhicules agricoles font partie de ces nouvelles technologies qui contribuent à cet objectif, en offrant la possibilité d'assurer la précision du suivi des trajectoires dans les parcelles, et de favoriser ainsi l'efficacité et la qualité du travail agronomique réalisé. Des fonctionnalités essentielles font néanmoins aujourd'hui défaut à ces systèmes. Citons la capacité à compenser la marche en crabe du véhicule sur les terrains glissants en pente, la capacité à contrôler les trajectoires des outils agricoles traînés, et la capacité à effectuer certaines manoeuvres en zone de fourrière. Ce travail de thèse aborde l'ensemble de ces problématiques au travers l'étude de la commande en milieu naturel de robot mobile poly-articulé à roues (RMPA), composé d'un véhicule " tracteur " à deux trains directeurs associé à n remorques passives à attache déportée. Une modélisation cinématique étendue est d'abord adoptée pour tenir compte des effets induits par les faibles conditions d'adhérence sur le comportement global du RMPA. Les variables de glissement introduites sur chacun des trains directeurs et roulants sont estimées à l'aide d'un observateur bâti à la manière d'une loi de commande. La trajectoire de référence à suivre gamma est quant à elle préalablement apprise ou construite à l'aide de primitives élémentaires et d'arcs de clothoïdes pour générer les manoeuvres de demi-tour. En premier lieu, les deux trains directeurs du RMPA sont exploités pour contrôler avec précision non seulement l'écart latéral mais également l'écart angulaire du véhicule " tracteur " par rapport à gamma : la commande du train directeur avant est basée sur la transformation du modèle en un système chaîné, conduisant à un découplage exact des performances latérales et longitudinales, puis sur des techniques de linéarisation exacte pour assurer la régulation latérale. La commande du train directeur arrière se base sur la dynamique de l'écart angulaire pour compenser les glissements et asservir cet écart sur le point de fonctionnement choisi. En second lieu, ces commandes sont étendues pour asservir latéralement la ieme remorque du RMPA le long de gamma : une approche en cascade est utilisée pour traduire une commande virtuelle de la ieme remorque en terme de commande du train directeur avant du véhicule " tracteur ". La commande longitudinale du RMPA est quant à elle basée sur une stratégie de commande prédictive à modèle interne, afin de suivre avec précision le profil de vitesse associé à gamma. De nombreuses expérimentations en conditions réelles, effectuées sur un RMPA composé d'un véhicule " tracteur " à deux trains directeurs et d'une remorque passive à attache déportée, viennent valider les différentes approches présentées dans ce mémoire et permettent d'apprécier les performances des lois de commande proposées.

  • Titre traduit

    Contribution to the control of a poly-articulated wheeled mobile robot in presence of sliding - Application to the automatic guidance of farm vehicles


  • Résumé

    Agriculture has today the challenge to increase its productivity in order to supply enough food for the growing needs of the world population. However, this activity strongly damages environmental ressources as water and soil, and new solutions are today required to reduce the impact of agricultural practices on environment. Automatic guidance systems for farm vehicles are some new technologies that contribute to this objective, allowing accurate path following in the fields and therefore improving efficiency and quality of the agricultural work carried out. Essential functionalities are however absent in these systems, as the capacities to compensate for the crabway motion of the vehicle on sliding sloping fields, to control the trajectories of the towed implement,and to perform U-turn maneuvers in headland. This thesis studies these problems through the control in presence of sliding of a poly-articulated wheeled mobile robot called RMPA, composed of a four-wheel-steering vehicle and n passive trailers hooked up at some distance from the rear axle of the previous one. An extended kinematic model of the RMPA is first used in order to take into account for the sliding effects on the overall behaviour of the robot. The sliding parameters, introduced on each rolling and steering axle of the RMPA, are estimated using a state observer built as a control law. The reference path [gamma] to be followed is either previously learned or specially planned using elementary primitives connected together with pieces of clothoid to produce the U-turn maneuvers. In a first step, both front and rear steering actuations of the robot are used to accurately control both lateral and angular deviations of the RMPA's four-wheel-steering vehicle with respect to [gamma] : the control of the front steering wheels is based on the transformation of the extended kinematic model into a chained system, allowing to dissociate the lateral and longitudinal commands, and on exact linearization techniques in order to servo lateral deviation. The control of the rear steering wheels is built from the angular deviation dynamic and ensures the convergence of the vehicle deviation to the desired set point. In a second step, these control laws are extended to control the lateral deviation of the ith trailer of the RMPA with respect to [gamma] : a backstepping approach is proposed to calculate the control law for the RMPA's front steering wheels from the study of a virtual control law for the ith trailer. Finally, the longitudinal control law of the RMPA is based on model predictive control, in order to accurately follow the velocity references linked to [gamma]. Numerous experiments relying on an actual RMPA, composed of a passive trailer hooked up at some distance from the rear axle of a four-wheel-steering vehicle, permit to validate the various approaches presented in this thesis and to appreciate the capabilities of the proposed control laws.


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