Optimisation du routage de drones pour l’épandage de produit en agriculture

Optimisation du routage de drones pour l’épandage de produit en agriculture

Profil Etudiant niveau fin de bac ou master
Prérequis Bonne maîtrise de la programmation et affinités marquées pour l’algorithmique. Bases en programmation fonctionnelles (en particulier Scala)
Durée Minimum 12 semaines, possibilité de stage étendu (4 mois) avec phase d’apprentissage des bases nécessaire de Scala

L’adéquation du profil sera validé préalablement au démarrage du stage.
Le stage est éligible au stage des pôles qui assure le remboursement des frais de déplacement.

Contexte et objectifs

Le stage vise à développer un algorithme qui calcule le trajet que doit suivre un drone volant pour éprendre des produits d’agriculture de manière ciblée sur certaines portions de champs. Ce trajet devra répondre de la manière la plus optimale possible à une série de contraintes opérationnelles détaillées plus bas.

Ce sujet de stage est lié à l’émergence de trois tendances

  • Il y a dans nos sociétés une prise de conscience de l’impact négatif des produits utilisés en agriculture, et cibler les épandages de produits à des parties de parcelle est une manière de réduire l’usage de ces produits. Des solutions bio à base de parasitoïdes peuvent également être utilisés à cet effet.
  • Les technologies de drones, notamment des multi-coptères connaissent ces dernières années un essor considérable, ouvrant des possibilités d’application notamment pour l’épandage sélectif en agriculture
  • Le CETIC développe depuis de longues années une technologie d’optimisation (OscaR.cbls), qui vise à traiter efficacement des problèmes de grande taille, tel des problèmes de routage de véhicule ou voyageur de commerce. Il est actuellement possible par exemple de traiter des problèmes de voyageur de commerce avec mille nœuds quasi instantanément et de dix mille nœuds en un temps raisonnable.

Le but est de traiter les surfaces ciblées en un temps minimum, et surtout de rester dans la fenêtre d’autonomie du drone. Il faudra par exemple en prendre en compte :

  • le payload constitué par les produits à épandre, ainsi que les variations de ce payload consécutifs aux épandages effectués. Ces payloads ont par exemple un impact sur l’autonomie du drone.
  • La direction du vent, ainsi que les variations possibles de cette direction (optimisation robuste)

Afin de traiter le problème, on s’appuiera sur OscaR est un toolkit Open Source de recherche opérationnelle. Il comprend notamment un moteur de type recherche locale basée sur des contraintes (CBLS) et un moteur de programmation par contrainte (CP). Ce stage utilisera la technologie OscaR.cbls. OscaR est écrit en Scala, un langage multiparadigme très efficace pour programmer ce type d’application.

De récents développements d’OscaR.cbls permettent de résoudre efficacement des problèmes de routage de véhicule de grande taille, tout en étant flexible sur la fonction à optimiser ainsi que sur les contraintes à prendre en compte.
Voici par exemple, routage de véhicule à 1000 noeuds et 7 véhicules :

Travail à réaliser

Le travail sera découpé dans les grandes étapes suivantes qui sera mis en oeuvre selon une démarche itérative.

  1. Analyse du problème sous une perspective d’innovation (ex. stratégie pour disposer de la vue globale => cibler). Un contact avec des spécialistes de drone sera organisé. Une étude du domaine (lois physiques) permettra de capturer les contraintes propres à ce domaine
  2. Étude de Scala et des bases de la librairie OscaR.cbls (en parallèle)
  3. Élaboration du cahier des charges d’une solution concrète lié à un problème ou catégorie de problème lié à l’usage de drones en agriculture
  4. Formulation du problème d’optimisation, avec support de l’équipe et en complexifiant progressivement le niveau de complexité/efficacité de l’optimisation et encodage sur base d’OscaR.cbls
  5. Développement (en parallèle) d’outils connexe de génération de données de problèmes et de visualisation de la solution
  6. Validation avec le démonstrateur graphique et mise dans la boucle avec les spécialistes du domaine

Encadrement

Tout le travail sera encadré au sein de l’équipe d’algorithmique et optimisation, mais nécessitera un minimum d’autonomie. Il s’agit d’un stage nécessitant des capacités de modélisation et d’apprentissage sur un outil Open Source en pleine expansion.

Références

Solution bio à base de parasitoîdes : http://www.viridaxis.com/fr
Epandage sélectif : http://www.ac-mag.fr/drones-et-capteurs-agricoles/54-developper-savoir-faire-epandage-aerien-en-france
OscaR : https://bitbucket.org/oscarlib/oscar/wiki/Home
Scala : http://www.scala-lang.org

Contact : Renaud De Landtsheer