Description du sujet de thèse

Sujet: Au cours de la dernière décennie, l’exploration de robots aériens capables d’accomplir des tâches d’interaction physique difficiles a connu un essor. Cependant, les limitations inhérentes de la capacité de charge des drones individuels ont poussé les chercheurs à explorer le potentiel des efforts collaboratifs entre équipes de robots aériens [8]. Cette approche collaborative est envisagée pour révolutionner divers domaines d’application, notamment la construction, l’inspection, la maintenance, et bien plus encore. L’une des solutions privilégiées pour permettre la manipulation/transport aérienne d’objets consiste à utiliser des câbles ou des liens pour suspendre des charges aux robots (voir la figure). Cette solution est légère et découple la dynamique d’attitude des robots aériens de celle de la charge, ce qui augmente la stabilité du système.

La manipulation complète de la pose d’une charge suspendue par câble à l’aide de plusieurs UAV est une technique prometteuse pour une grande variété d’applications industrielles futures. Cependant, les interactions physiques entre les UAV, la charge et les câbles rendent la manipulation collaborative une tâche complexe, tant du point de vue de la planification que du contrôle. Les solutions existantes se sont concentrées, d’une part, sur des régimes quasi-statiques qui limitent le comportement dynamique et les capacités du système [3]. D’autre part, la plupart des solutions sont centralisées [1,6] ou considèrent l’accès à des informations globales du système (poses, forces, etc.) [1], ce qui réduit l’autonomie et la robustesse du système et limite l’applicabilité de ces solutions à des scénarios réels pertinents.

Objectifs de recherche :
L’objectif principal de cette thèse de doctorat est d’explorer des stratégies de coordination distribuées et basées sur des capteurs pour des systèmes multi-robots aériens avec charges suspendues par câble, facilitant la manipulation et le transport collaboratif d’objets via des interactions locales. Les solutions distribuées posent des défis particuliers, notamment en ce qui concerne les contraintes de communication entre les robots. L’objectif est donc de considérer des stratégies hiérarchiques où les robots communiquent à faible fréquence et se coordonnent à un niveau supérieur/de planification, exécutant ensuite le plan via une communication implicite locale basée sur des retours sensoriels, tels que la vision et/ou la détection de force.

Activités envisagées :
Les solutions envisagées s’appuieront sur des résultats centralisés ou cinématiques existants [2,3] et sur des approches de régulation sans communication [4] pour proposer un cadre entièrement basé sur les capteurs, basé sur la dynamique et distribué pour la manipulation collaborative agile de charges suspendues par câble. Du côté du contrôle, un point de départ sont les approches centralisées existantes basées sur le contrôle prédictif de modèle (MPC) pour des robots aériens uniques [9] et multi-robots [1,6]. Notre équipe a entrepris des travaux préliminaires explorant l’extension de [1] par une solution MPC distribuée basée sur [9], initialement au niveau cinématique. Si cette approche s’avère prometteuse, une trajectoire potentielle implique de faire évoluer l’algorithme pour fonctionner au niveau dynamique. Du côté de la détection, le point de départ sera les travaux sur l’estimation collaborative d’état global basée sur les capteurs pour les systèmes multi-robots tels que [5].

Validation expérimentale :
Les stratégies de coordination élaborées pour la manipulation et le transport de charges suspendues par câble feront l’objet de validations et de tests approfondis à l’aide de la plateforme à câbles, présentée sur la figure, déjà disponible au Rainbow.


References

[1] S. Sun and A. Franchi, "Nonlinear MPC for Full-Pose Manipulation of a Cable-Suspended Load using Multiple UAVs," 2023 International Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS), Warsaw, Poland, 2023, pp. 969-975.
[2] Sanalitro, D. (2022). Aerial Cooperative Manipulation: full pose manipulation in air and in interaction with the environment (Doctoral dissertation, INSA de Toulouse).
[3] D. Sanalitro, H. Savino, M. Tognon, J. Cortés, and A. Franchi “Full-pose manipulation control of a cable-suspended load with multiple UAVs under uncertainties”. IEEE Robotics and Automation Letters, 2020,5(2), 2185-2191.
[4] C. Gabellieri, M. Tognon, D. Sanalitro and A. Franchi, "Force-Based Pose Regulation of a Cable-Suspended Load Using UAVs with Force Bias,” 2023 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), Detroit, MI, USA, 2023, pp. 6920-6926.
[5] N. de Carli, P. Salaris, P. Robuffo Giordano. Multi-Robot Active Sensing for Bearing Formations. MSR 2023 - IEEE International Symposium on Multi-Robot & Multi-Agent Systems, Dec 2023, Boston (MA), United States. pp.1-7.
[6] L. Guanrui, and G. Loianno. "Nonlinear Model Predictive Control for Cooperative Transportation and Manipulation of Cable Suspended Payloads with Multiple Quadrotors." arXiv preprint arXiv:2303.06165 (2023).
[7] A. Ollero, M. Tognon, A. Suarez, D. J. Lee, and A. Franchi. ``Past, present, and future of aerial robotic manipulators.’’ IEEE Trans. on Robotics, 2021.
[8] S., Ola, and M. Schwager. "Distributed Model Predictive Control via Separable Optimization in Multi-Agent Networks." IEEE Transactions on Automatic Control (2023).
[9] L. Peric, Brunner, M., Bodie, K., M. Tognon, and Siegwart, R., “Direct Force and Pose NMPC with Multiple Interaction Modes for Aerial Push-and Slide Operations”, in 2021 IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, Xi’an, China, 2021

Contexte de travail

La thèse se déroulera au sein de l'equipe Rainbow commune à l'IRISA et à l'Inria Rennes.

- Le poste de doctorat est à temps plein pour une durée de 3 ans (durée standard en France). Le poste sera rémunéré conformément aux réglementations salariales françaises pour les doctorants.
- Nous menons des recherches de haute qualité et à fort impact en robotique, publiant dans les principales revues et conférences.
- Nous collaborons souvent avec d’autres chercheurs de premier plan en Europe et dans le monde.
- Vous aurez accès à un laboratoire bien établi comprenant : deux arènes de vol équipées d’un système de suivi de mouvement, plusieurs quadrirotors, et quelques manipulateurs entièrement actionnés; un laboratoire de manipulation robotique équipé de plusieurs bras robotiques, comme le Franka Emika Panda
- Vous ferez partie d’une équipe internationale et conviviale. Nous organisons plusieurs événements, allant d’afterworks à des retraites de laboratoire sur plusieurs jours.
- Des visites régulières et des conférences de chercheurs reconnus internationalement provenant de laboratoires de recherche de premier plan.


Critères:
- Diplôme de master (M.Sc.) en mécatronique, robotique, ingénierie, informatique (ou domaines connexes)
- Excellentes compétences en anglais écrit et parlé
- Bonne expérience en C/C++, ROS, Matlab/Simulink, CAO
- Bonne expérience avec des outils d’optimisation de trajectoire numérique pour la robotique (par exemple, utilisation de CaSaDi, Acado, Autodiff, Crocoddyl, etc.)
- Curiosité scientifique, grande autonomie et capacité à travailler de manière indépendante
- Expérience avec des systèmes robotiques et/ou des robots aériens est un plus


A propos du laboratoire
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www.irisa.fr
L'IRISA est aujourd'hui l'un des plus grands laboratoires de recherche français (plus de 850 personnes) dans le domaine de l'informatique et des technologies de l'information. Structuré en sept départements scientifiques, l'IRISA est un laboratoire d'excellence dont les priorités scientifiques sont la bioinformatique, la sécurité des systèmes, les nouvelles architectures logicielles, la réalité virtuelle, l'analyse des big data et l'intelligence artificielle. Tourné vers l'avenir de l'informatique et nécessairement tourné vers l'international, l'IRISA est au cœur même de la transition numérique de la société et de l'innovation au service de la cybersécurité, de la santé, de l'environnement et de l'écologie, des transports, de la robotique, de l'énergie, de la culture et de l'intelligence artificielle.

Présentation du CNRS en tant qu'employeur : https://www.cnrs.fr/fr/le-cnrs
Présentation de l'IRISA comme laboratoire d'affectation : https://www.irisa.fr/umr-6074


Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.