STAGIAIRE RECHERCHE-PROJET REISAR H/F

Titre: Développement, implémentation et validation d’un environnement de simulation réaliste pour l’analyse du comportement dynamique et des performances d’un robot à vis sans fin

Domaines scientifiques :

Robotique mobile, Modélisation et simulation physique, Mécanique et dynamique des systèmes mobiles

Mots clés :

Robot à vis sans fin, Robotique mobile, Simulation physique, Comportement dynamique, Évaluation des performances

Résumé

Ce stage vise à étudier et exploiter des outils de simulation pour modéliser les différents environnements (eau, sable, graviers, boue, etc.) présentant des propriétés physiques variées, telles que la granularité, la densité ou la friction. L’objectif est de permettre la simulation d’un robot à vis sans fin naviguant dans ces milieux divers. Les simulations serviront à analyser le comportement dynamique du robot, sa traction, sa stabilité et ses interactions avec le terrain. Elles permettront également d’évaluer des méthodes de contrôle et des modèles d’apprentissage difficiles à tester sur le robot réel. Ce travail fournira ainsi une base solide pour comprendre et optimiser les performances du robot dans des environnements complexes.

1 Contexte du stage

Ce sujet de stage s’inscrit dans le cadre du projet REISAR (Système Robotisé Avancé pour l’Inspection des Réseaux d’Assainissement et la Préservation de l’Eau), une initiative collaborative portée par CESI LINEACT en partenariat avec plusieurs acteurs industriels (Pilgrim Technology, TRAAK et Conscience), et financée dans le cadre du plan France 2030. Le projet REISAR vise à développer un robot hybride amphibie autonome destiné à l’inspection et à la cartographie des réseaux d’assainissement, capable d’évoluer de manière fiable et précise dans des environnements complexes et difficilement accessibles. Plus précisément, ce sujet est rattaché au Work Package 1 (WP1), consacré au développement et à la validation des stratégies de commande et de contrôle du robot. Dans ce cadre, le stage porte plus spécifiquement sur la mise en place d’outils de simulation permettant de modéliser le comportement dynamique du robot et d’évaluer les performances des lois de commande dans différents environnements d’évolution. Ces travaux de simulation visent à faciliter le réglage et la validation des stratégies de contrôle, en amont de leur implémentation et de leur déploiement sur le robot réel.

2 Sujet de stage

Ce stage a pour objectif de concevoir, implémenter et évaluer un environnement de simulation robotique réaliste dédié à l’étude du comportement dynamique d’un robot mobile à vis sans fin. Dans le cadre de la navigation de ce type de robot, l’interaction entre le système robotique et son environnement est fortement non linéaire et complexe, rendant les phases de test et de validation des modèles de commande particulièrement coûteuses en temps et en ressources lorsqu’elles sont réalisées exclusivement sur le robot réel.

En effet, le comportement du robot dépend à la fois des paramètres de conception des vis sans fin (géométrie, pas, vitesse de rotation) et des caractéristiques du terrain traversé, telles que la densité, la granularité, les propriétés de friction ou encore le degré de saturation en eau. Cette forte dépendance aux conditions d’évolution complique l’analyse systématique des performances et la comparaison objective des stratégies de contrôle. Dans ce contexte, le développement d’un environnement de simulation constitue un outil essentiel pour simplifier et accélérer les phases de test, permettre l’évaluation comparative de différents modèles de commande dans des conditions maîtrisées et reproductibles, et fournir des résultats exploitables en vue de leur déploiement ultérieur sur le robot réel.

Les travaux menés dans le cadre de ce stage s’articuleront autour des axes suivants :

1. Analyse et sélection d’outils de simulation : une étude de l’état de l’art des simulateurs robotiques (tels que Gazebo, Isaac Sim, Project Chrono, etc.) sera conduite, en évaluant leur capacité à modéliser des interactions sol–robot complexes, incluant des contacts non linéaires et des phénomènes de friction variable, pertinents pour les systèmes de locomotion à vis sans fin considérés dans le projet REISAR.

2. Construction d’environnements simulés : différents environnements physiques (eau, sable, graviers, boue, etc.) seront modélisés afin de représenter de manière réaliste les conditions d’exploitation attendues du robot dans le cadre du projet.

3. Simulation et analyse des comportements : des scénarios de simulation seront mis en œuvre pour collecter des données relatives à la vitesse, à la stabilité, au glissement et à la traction du robot, dans le but d’analyser son comportement dynamique et de contribuer à l’amélioration des modèles de navigation et de contrôle.

3 Antériorité du sujet dans le laboratoire

Dans le cadre du projet REISAR, des premiers travaux ont déjà été réalisés pour étudier le comportement des robots mobiles à vis sans fin. Ces travaux ont notamment inclus des tests expérimentaux du robot sur différents types de sols — sable, graviers, terreau et argile — afin d’évaluer la traction, la stabilité et le glissement en fonction des propriétés du terrain. Parallèlement, des environnements de simulation ont été développés pour la partie reconnaissance d’objets et navigation dans des structures confinées, telles que des égouts.

Cependant, ces travaux ont mis en évidence la nécessité de disposer d’un environnement de simulation physiquement réaliste, capable de reproduire de manière fiable les interactions robot–sol. Un tel environnement est indispensable pour améliorer le test et la validation des modèles de contrôle, en permettant d’analyser et d’ajuster les stratégies de commande dans des conditions variées et reproductibles avant leur déploiement sur le robot réel. Le stage proposé s’inscrit dans cette continuité, en consolidant les bases de modélisation et de simulation déjà développées.

4 Programme de travail

• Analyse et cadrage (Semaines 1–4) : Revue de l’état de l’art sur les simulateurs robotiques (Gazebo, Isaac Sim, Project Chrono), définition des critères d’évaluation et spécification des besoins liés au robot à vis sans fin.

• Benchmark et sélection (Semaines 5–8) : Mise en place de cas tests, comparaison des performances physiques et numériques des simulateurs, sélection argumentée de l’environnement retenu.

• Modélisation et intégration (Semaines 9–16) : Implémentation du modèle du robot, paramétrage des vis et intégration des environnements simulés (sable, graviers, boue, eau). Validation fonctionnelle des premiers scénarios.

• Campagne de simulations et analyse (Semaines 17–22) : Exécution de scénarios expérimentaux, collecte des données (vitesse, stabilité, glissement, traction), analyse comparative des performances et évaluation des stratégies de commande.

• Rédaction et finalisation (Semaines 23–24) : Synthèse des résultats, rédaction du rapport final, préparation des livrables scientifiques et techniques.

5 Production scientifique et technique attendue

Le stage produira un benchmark documenté des simulateurs robotiques, un environnement de simulation fonctionnel, ainsi que des jeux de simulation représentatifs des conditions physico-mécaniques ciblées par REISAR. Les livrables incluront des modèles robotique et environnementaux, un rapport d’analyse détaillé et des éléments exploitables pour des publications ou dépôts techniques. Les retombées contribueront à renforcer l’approche scientifique du WP1 et à soutenir les objectifs globaux du projet REISAR.

6 Contexte

6.1 Présentation du laboratoire

CESI LINEACT (UR 7527), Laboratoire d’Innovation Numérique pour les Entreprises et les Apprentissages au service de la Compétitivité des Territoires, anticipe et accompagne les mutations technologiques des secteurs et des services liés à l’industrie et au BTP. La proximité historique de CESI avec les entreprises est un élément déterminant pour nos activités de recherche, et a conduit à concentrer les efforts sur une recherche appliquée proche de l’entreprise et en partenariat avec elles. Une approche centrée sur l’humain et couplée à l’utilisation des technologies, ainsi que le maillage territorial et les liens avec la formation, ont permis de construire une recherche transversale ; elle met l’humain, ses besoins et ses usages, au centre de ses problématiques et aborde l’angle technologique au travers de ces apports.

Sa recherche est organisée selon deux équipes scientifiques interdisciplinaires et deux domaines applicatifs.

• L’équipe "Apprendre et Innover" relève principalement des Sciences cognitives, Sciences sociales et Sciences de gestion, Sciences et techniques de la formation et celles de l’innovation. Les principaux objectifs scientifiques visés sont la compréhension des effets de l’environnement, et plus particulièrement des situations instrumentées par des objets techniques (plateformes, ateliers de prototypage, systèmes immersifs...) sur les processus d’apprentissage, de créativité et d’innovation.

• L’équipe "Ingénierie et Outils Numériques" relève principalement des Sciences du Numérique et de l’Ingénierie. Les principaux objectifs scientifiques portent sur la modélisation, la simulation, l’optimisation et le pilotage de composants, systèmes et processus complexes et des interactions Humains-systèmes dans des systèmes cyber-physiques et jumeaux numériques.

Ces deux équipes développent et croisent leurs recherches dans les domaines applicatifs de l’Industrie du Futur, de la Ville du Futur et des services numériques, soutenues par des plateformes de recherche, principalement celle de Rouen dédiée à l’Usine du Futur et celles de Nanterre dédiée à l’Usine et au Bâtiment du Futur.

Positionnement dans les thématiques de recherche du laboratoire

Ce stage s’insère dans la thématique "Compréhension de scènes et interactions humains-systèmes" du laboratoire CESI LINEACT, en mettant l’accent sur la modélisation et l’analyse des interactions entre un système autonome et son environnement complexe. En utilisant des outils de simulation, le stage permet d’étudier des scénarios variés de manière sûre et reproductible, et d’évaluer des méthodes de contrôle ou des modèles d’apprentissage difficiles à tester directement sur le robot réel. Ainsi, le projet contribue aux axes de recherche du laboratoire en fournissant un cadre expérimental pour anticiper et comprendre le comportement d’un système autonome dans des environnements complexes, participant à la représentation et à l’analyse des interactions robot-environnement.

Compétences attendues :

• Compétences scientifiques et techniques

  • Intérêt marqué pour la robotique mobile et la simulation

  • Bon niveau en programmation (Python, C/C++)

  • Connaissances en mécanique, cinématique et dynamique des robots

  • Connaissances en modélisation physique et dynamique des systèmes robotisés

  • Une expérience préalable avec ROS ou des environnements de simulation tels qu’Isaac Sim ou Project Chrono serait un plus

• Compétences relationnelles

  • Autonomie, esprit d’initiative et curiosité

  • Capacité à travailler en équipe et bonnes compétences en communication

  • Rigueur et sens de l’organisation