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Présentation INRAE
L’Institut national de recherche pour l’agriculture, l’alimentation et l’environnement (INRAE) est un établissement public de recherche rassemblant une communauté de travail de 12 000 personnes, avec 272 unités de recherche, de service et expérimentales, implantées dans 18 centres sur toute la France.INRAE se positionne parmi les tout premiers leaders mondiaux en sciences agricoles et alimentaires, en sciences du végétal et de l’animal. Ses recherches visent à construire des solutions pour des agricultures multi-performantes, une alimentation de qualité et une gestion durable des ressources et des écosystèmes.
Environnement de travail, missions et activités
L’objectif de la thèse consiste à donner la capacité à un vecteur aérien autonome à voilure tournante (drone quadrirotor) de s’approcher successivement au plus près de nœuds capteurs communicants distribués au sol dans un environnement naturel, afin de les activer et collecter leurs données. L’application sous-jacente est la surveillance automatisée d’environnements agricoles associant la dronautique et les réseaux de capteurs sans fils dans des zones à faible accessibilité et dans des contextes où la minimisation de la consommation énergétique de nœuds capteurs constitue un enjeu important.
Pour répondre à ce besoin, une première problématique est liée à la présence potentielle de nombreux obstacles à faible hauteur de vol, statiques et/ou dynamiques, autour de chaque cible. Ces obstacles sont préalablement connus ou non, flexibles ou rigides, peuvent être difficiles à percevoir (e.g. fils de clôture, lignes électriques) et peuvent fortement varier au cours du temps (e.g. croissance de cultures de plusieurs mètres au cours d’une saison culturale). Une seconde problématique est de garantir un haut niveau de qualité de communication entre le drone et la cible (mesure RSSI) pour éviter les retransmissions et les pertes de temps inutiles. Cette phase de collecte, qui peut prendre plusieurs dizaines de secondes, doit cependant être réalisée alors que le drone commence déjà à se diriger vers la cible suivante pour optimiser son temps de vol: une boucle de contrôle est donc nécessaire sur le signal RSSI.
Pour aborder ces problématiques, le travail de thèse se focalisera sur les deux aspectssuivants :
* Le premier objectif est de répertorier et étudier les capteurs qui seront embarqués sur le drone (e.g. principalement Lidars 2D/3D mais aussi radars, caméras TOF ou RGB-D, redondance de capteurs). Ces capteurs seront pertinents pour la perception et l’évitement d’obstacles à différentes distances et opérationnels en milieu extérieur. Des algorithmes seront ensuite développés pour représenter l’espace de travail proche du drone, en temps-réel et de manière fiable, robuste et redondante. Cette représentation de l’espace de travail sera associée de manière originale à, d’une part des données du sursol provenant d’un Lidar aéroporté, et d’autre part au diagramme de rayonnement estimé des nœuds capteurs, représentant la zone de couverture estimée de chaque nœud capteur. Par ailleurs, l’effet du sol peut générer des instabilités du drone à faible hauteur de vol, qui va lui-même générer des déplacements d’air important sur les objets flexibles. L’impact de ces mouvements, celui du drone et ceux des objets flexibles, sera considéré dans la prise des mesures et l’analyse des données obtenues.
* Le second objectif sera d’étudier la modélisation des mouvements cinématiques et dynamiques du drone quadrirotor pour planifier des trajectoires de référence qui soit admissibles et libres d’obstacle dans l’espace de travail défini.Des stratégies de commandes prédictives et adaptatives seront développées pour suivre ces trajectoires avec précision. L’originalité sera d’intégrer une variable supplémentaire dans les boucles de commande sur la qualité de communication (RSSI) désirée et mesurée. L’asservissement du drone sur cette variable additionnelle permettra d’assurer la collecte des données des nœuds capteurs dans des conditions de communication favorables.
Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet ANR OCOD (2025-2028) porté par le laboratoire INRAE-TSCF à Clermont-Ferrand. Ce projet réunit 4 laboratoires de recherche (INRAE-TSCF, FEMTO-ST, LPCA et Inria-FUN) et traite de la collecte optimisée de nœuds capteurs communicants dans le secteur agricole au moyen de vecteurs de collecte aériens.
Mots-clefs:Drone à voilure tournante, IoT, fusion de données multi-capteurs, systèmes embarqués, détection et évitement d’obstacles, planification de trajectoires, commandes prédictives et adaptatives, observateurs, agriculture.
Références bibliographiques:
* Ahmed, S. ; Qiu, B. ; Ahmad,F. ; Kong, C.-W. ; Xin, H.A state-of-the-art analysis of obstacle avoidance methods from the perspective of an agricultural sprayer UAV’s operation scenario. Agronomy 2021, 11, 1069
* Cariou, C.; Moiroux-Arvis L.; Pinet F.; Chanet J.P. Data collection from buried sensor nodes by means of an unmanned aerial vehicle. Sensors, 2022, 22, 5926, DOI 10.3390/s22155926
* Cariou C.; Moiroux-Arvis L. ; Bendali, F. ; Mailfert, J. Optimal route planning of an Unmanned Aerial Vehicle for data collection of agricultural sensors, IEEE International Conference on Computer Communications - Workshop on Networked Robotics and Communication Systems (INFOCOM - NetRobiCS), Vancouver, Canada, 20-23 May, 2024
* Moiroux-Arvis L. ;Cariou C.; Chanet J.P. Evaluation of LoRa technology in 433-MHz and 868-MHz for underground to aboveground data transmission. Computers and Electronics in Agriculture, 194, 106770, 2022
* Tezenas-du-Montcel T. Evitement d’obstacles pour quadrirotors en utilisant un capteur de profondeur, Thèse Université de Grenoble Alpes, 2019
Formations et compétences recherchées
Master/Ingénieur (Bac+5)
Formation recommandée: Master en recherche opérationnelle ou robotique
Connaissances souhaitées: Systèmes embarqués, perception artificielle, automatique, ROS, C++
Expérience appréciée: Stage de recherche
Aptitudes recherchées:Compétences en recherche fondamentale et appliquée, curiosité scientifique, rédaction et communication scientifique, autonomie, prise d’initiatives
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