FR2994057A1

FR2994057A1 - Robot de taille de vignes comprenant des moyens de captation d'images mettant en oeuvre des moyens de projection d'un faisceau laser

Info

Publication number: FR2994057A1
Application number: FR1257452A
Authority: FR
Inventors: Jean-Michel Morcellet
Original assignee: TIAM
Current assignee: TIAM
Priority date: 2012-07-31
Filing date: 2012-07-31
Publication date: 2014-02-07
Anticipated expiration: 2032-07-31
Also published as: FR2994057B1

Abstract

L'invention concerne un robot de taille de vignes, comprenant : - des moyens de captation d'images relatives auxdits pieds de vigne et à leurs branches ; - des moyens de traitement (3) desdites images ; - des moyens de coupe (4) et des moyens de pilotage (30) de ceux-ci ; caractérisé en ce que les moyens de captation d'images comprennent : - des moyens de projection (20) d'au moins un faisceau laser sur lesdits pieds de vigne et leurs branches ; - des moyens (21) de relevé et d'enregistrement d'une série d'images relatives à la forme dudit faisceau laser sur lesdits pieds de vigne et leurs branches.

Description

Robot de taille de vignes comprenant des moyens de captation d'images mettant en oeuvre des moyens de projection d'un faisceau laser. Le domaine de l'invention est celui de la conception et de la fabrication 5 des équipements pour la viticulture. Plus précisément, l'invention concerne un robot de taille de vignes, du type comprenant une structure mobile destinée à être déplacée entre des rangs de pieds de vignes. Dans le domaine de la viticulture, la taille de la vigne est une opération visant à limiter la croissance excessive de la vigne pour régulariser la 10 production du raisin, qualitativement et quantitativement. La taille s'effectue généralement pendant le repos végétatif (hiver), prenant en considération bien entendu les risques de gelée. En procédant à la taille, le vigneron cherche à obtenir un bon niveau de production tout en diminuant le nombre de grappes, ce qui conduit à 15 augmenter leur grosseur. En outre, la taille de la vigne permet de limiter l'extension des bois, ceci facilitant les travaux de culture et permettant la mécanisation avec le palissage sur fil. Suivant les régions et les méthodes de viticulture, différents principes de taille peuvent être utilisés : 20 la taille courte sur charpente courte ; la taille courte sur charpente longue ; la taille longue sur charpente longue. Ces techniques se distinguent notamment entre elles par la charge, c'est-à-dire le nombre d'yeux (ou noeuds) visibles laissés après la taille. Si la 25 charge est trop forte, avec trop d'yeux, le nombre des grappes futures sera trop important, au risque de ne pas atteindre un niveau de maturité satisfaisant. Si la charge est trop faible, c'est-à-dire avec un nombre d'yeux insuffisants, elle entraînera une végétation abondante mais une récolte peu abondante. 30 Traditionnellement, la taille des vignes s'effectue manuellement, de façon à pouvoir opérer une « lecture » de la vigne et à procéder à la taille de 2 99405 7 2 façon adaptée à chaque pied de vigne, en fonction de la méthode de taille choisie. Classiquement, le vigneron utilise les outils tels que : le sécateur manuel ; le sécateur « à démonter », pour les gros diamètres ; les sécateurs électriques ; les sécateurs pneumatiques. Il a été proposé par l'art antérieur un robot agricole à usage multiple, permettant notamment la collecte de fruits ou la taille des vignes. Ce robot 10 est décrit par le document de brevet publié sous le numéro US-2006/0213167. Ce robot met en oeuvre deux éléments distincts, mobiles le long par exemple des rangs de vignes, à savoir : un robot « éclaireur », qui présente un ou plusieurs bras 15 articulés et mobiles sur la structure du robot éclaireur, ces bras portant chacun une caméra ; un robot « exécutant », qui porte un ou plusieurs bras articulés pourvus chacun d'un dispositif de coupe, voire d'un dispositif de collecte (lorsqu'il s'agit d'une application à haut ramassage de 20 fruits). Le robot « éclaireur » et le robot « exécutant » sont chacun pourvu d'un système de positionnement par satellite (GPS). Selon cette technique, le robot « éclaireur » explore la végétation et identifie des fruits ou des points de coupe, les visualise et les localise. Un 25 plan d'action est ensuite défini. Ce plan d'action, incluant les points de coupe et leurs coordonnées de localisation est transmis au robot « exécutant » qui parcourt à son tour les rangs pour exécuter le plan d'action. Le système décrit s'avère relativement complexe et coûteux, notamment en raison du nombre élevé d'éléments en mouvement (les bras 30 portant les caméras ou les dispositifs de coupe étant prévus notamment pour pénétrer l'intérieur de la végétation d'un arbre lorsqu'il s'agit d'un arbre fruitier). De plus, les opérations sont relativement lentes, en raison de l'exploration et de la recherche de tous les points de coupe, ceci en y associant systématiquement des paramètres de localisation. Il résulte directement de ce point que le système décrit nécessite une capacité de traitement très importante des données liées au plan d'action, qui inclut un nombre considérable d'informations de localisation, qui doivent en outre être transmises au robot « exécutant », qui à son tour doit traiter l'ensemble des données pour exécuter le plan d'action. L'invention a notamment pour objectif de pallier ces inconvénients de l'art antérieur.

Plus précisément, l'invention a pour objectif de proposer un robot dédié à la taille des vignes, qui soit simple structurellement et fonctionnellement. L'invention a également pour objectif de fournir un tel robot qui limite le traitement de données informatiques comparé à l'art antérieur.

L'invention a aussi pour objectif de fournir un tel robot qui puisse exécuter la taille à une cadence relativement élevée. Un autre objectif de l'invention est de fournir un tel robot qui puisse être aisément paramétré pour exécuter différentes techniques de taille de vignes.

Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints grâce à l'invention qui a pour objet un robot de taille de vignes, comprenant : - une structure mobile destinée à être déplacée entre des rangs de pieds de vigne ; - des moyens de captation d'images relatives auxdits pieds de vigne et à leurs branches ; - des moyens de traitement desdites images ; - des moyens de coupe ; - des moyens de pilotage en liaison avec lesdits moyens de traitement de façon à diriger lesdits moyens de coupe sur des points de coupe et déclencher une coupe sur ces points de coupe, caractérisé en ce que les moyens de captation d'images comprennent : - des moyens de projection d'au moins un faisceau laser sur lesdits pieds de vigne et leurs branches ; - des moyens de relevé et d'enregistrement d'une série d'images relatives à la forme dudit faisceau laser sur lesdits pieds de vigne et leurs branches. De cette façon, un robot selon l'invention permet de regrouper les avantages suivants : - le système de projection d'un faisceau laser combiné à la détection de la forme du laser épousant l'enveloppe externe du pied de vigne permet d'obtenir en temps réel une série de profils ; - ces profils peuvent être traités, comme cela va être expliqué plus en détails par la suite, de façon à obtenir une représentation simplifiée du pied de vignes et d'en déduire des points de coupe ; - la structure mobile portant les moyens de captation d'images porte également les moyens de coupe, ce qui permet d'exécuter la coupe sur le pied de vigne qui vient d'être analysé, ceci avec peu de données et peu de traitement de données, les données et le traitement correspondants étant spécifiques d'un pied de vigne et n'étant donc plus utilisés pour le pied suivant ; - les opérations de taille des vignes peuvent être exécutées relativement rapidement. Selon une solution préférentielle, lesdits moyens de projection sont montés mobiles en translation sur ladite structure mobile et sont susceptibles d'être entrainés en translation par les moyens moteurs. En effet, lors du déplacement de la structure mobile le long des rangs 30 de vigne, celle-ci fait l'objet de vibrations, voire de soubresauts, qui sont susceptibles de nuire à la qualité (la précision) de la captation d'images et donc de l'analyse et de la taille qui suivent.

Une telle caractéristique préférentielle permet donc de : - déplacer la structure mobile au niveau d'un pied de vigne ; - arrêter la structure mobile ; - procéder à la translation des moyens de projection du faisceau laser, puis à l'analyse des images obtenues ; - procéder à la taille ; - déplacer la structure mobile jusqu'au pied de vigne suivant au niveau duquel elle s'arrête à nouveau. La captation d'images s'opère donc à l'arrêt de la structure mobile.

Avantageusement, lesdits moyens moteurs sont pourvus d'un codeur incrémental. La mise en oeuvre d'un tel codeur permet de cadencer et d'espacer régulièrement les prises de profils et d'avoir une image fidèle à la réalité. En outre, le réglage du déplacement incrémental peut être effectué, voir modifié, 15 aisément. Selon un mode de réalisation préférentiel, lesdits moyens de relevé et d'enregistrement comprennent deux caméras posées de façon à être placées de part et d'autre d'un rang de vigne. De cette façon, on peut obtenir une représentation fidèle et fiable des deux côtés du pied de vigne, la 20 projection du faisceau laser sur la vigne étant susceptible d'entraîner des zones d'ombre. Selon une solution avantageuse, lesdits moyens de relevé et d'enregistrement comprennent au moins une caméra profilométrique. Selon une autre caractéristique de l'invention, lesdits moyens de 25 traitement sont aptes à convertir lesdites images en un nuage de points. Dans ce cas, le robot comprend des moyens de conversion desdits nuages de points en squelettes de pieds mettant en oeuvre une base de données incluant des informations sur : - les intersections de segments ; 30 - des coordonnées de noeuds ; - les épaisseurs de noeuds.

On obtient ainsi des données sur chaque pied de vignes, à partir des profils analysés, qui prennent la forme de paramètres objectifs pouvant être comparés de manière fiable à des paramètres de taille prédéterminés, qui peuvent être modifiés (reparamétrés) en fonction des méthodes de tailles souhaitées. Préférentiellement, ladite structure mobile prend la forme d'un tunnel destiné à chevaucher un rang de vigne. Avantageusement, ladite structure mobile est portée par au moins une paire de chenilles.

Les chenilles présentent l'avantage de permettre un déplacement de la structure sur des terrains irréguliers, et/ou très humides. Bien entendu, d'autres modes de liaison au sol peuvent être envisagés sans sortir du cadre de l'invention. Avantageusement, ladite structure mobile est équipée d'un système 15 de positionnement par satellite On obtient ainsi un robot qui peut être déplacé de façon précise, voire de façon totalement autonome, entre les rangs de vigne. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation 20 préférentiel de l'invention, donné à titre d'exemple illustratif et non limitatifs, et des dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'un robot de taille de vignes selon l'invention ; - la figure 2 est une illustration schématique d'une étape de 25 captation d'images avec un robot selon l'invention ; - la figure 3 est une illustration schématique d'un nuage de points obtenu avec des moyens de captation d'images d'un robot selon l'invention ; - la figure 4 est un exemple d'une étape de traitement d'images 30 obtenues avec les moyens de captation d'un robot selon l'invention.

En référence à la figure 1, un robot de taille de vignes selon le présent mode de réalisation de l'invention, comprend : - une structure mobile 1, destinée à être déplacée entre les rangs de pieds de vigne, portée par au moins une paire de chenilles 1 0 ; - des moyens de captation d'images relatifs aux pieds de vigne V et à leurs branches ; - des moyens de traitement 3 d'images ; - des moyens de coupe 4 ; - des moyens de pilotage 30, en liaison avec les moyens de traitement 3 d'images et avec les moyens de coupe 4, de façon à diriger les moyens de coupe 4 sur des points de coupe et déclencher une coupe sur ces points de coupe. Tel que cela apparaît sur la figure 1, la structure mobile 1 prend la 15 forme d'un tunnel, c'est-à-dire d'un U retourné, de façon à délimiter un espace pour un rang de vigne, de telle sorte que le tunnel chevauche le rang de vigne en se déplaçant le long de celui-ci. La structure mobile est en outre équipée d'un système de positionnement par satellite 5, du type procurant préférentiellement une 20 précision de plus ou moins 40 cm en absolu (c'est-à-dire tout au long de la journée), avec une précision relative (correspondant à un écart entre deux coordonnées sur moins de 5 minutes) aux alentours de plus ou moins 10 cm. Les déplacements de la structure mobile peuvent être réalisés à partir de coordonnées relatives. 25 L'exploitant réalise une cartographie du champ : chaque poteau des rangs de vigne verra sa position GPS enregistré dans un fichier qui sera ensuite implanté dans le robot. Le dispositif pourra ainsi reproduire la trajectoire enregistrée à travers les rangs de vigne. Les moyens de coupe 4 sont constitués par un voire deux bras 30 articulés pourvus chacun à leur extrémité d'un sécateur électrique. De tels bras permettent de déplacer le sécateur électrique au niveau des points de coupe déterminés. Les moyens de coupe sont esclaves des moyens de pilotage 30, qui calculent les coordonnées finales des points de coupe. Préalablement aux déplacements des moyens de coupe, leur trajectoire est simulée et optimisée avant de la réaliser. En effet, il est possible que certaines positions soient inaccessibles. Les moyens de coupe éviteront 5 donc de telles zones afin d'être sûrs de pouvoir réaliser leur trajectoire. La mise en oeuvre de deux bras de coupe permet d'intervenir sur les deux faces du rang de vigne. Selon le principe de l'invention, les moyens de captation d'images comprennent : 10 - des moyens de projection 20 d'au moins un faisceau laser FL sur les pieds de vigne V et leurs branches ; - des moyens 21 de relevé et d'enregistrement d'une série d'images relatives à la forme du faisceau laser FL sur les pieds de vigne et leurs branches. 15 Selon le présent mode de réalisation, les moyens de captation d'images sont constitués par au moins une caméra profilométrique incluant d'une part les moyens de projection 20 d'un faisceau laser et, d'autre part, par une caméra permettant le relevé et l'enregistrement d'une série d'images. 20 Tel que cela apparaît, un tel ensemble est monté de chaque côté de la structure mobile 1, de façon à fournir des images de chaque face du rang de vigne. En outre, chaque ensemble est constitué par les moyens de projection 20 et les moyens 21 de relevé et d'enregistrement sont montés mobiles en 25 translation sur la structure, et sont susceptibles d'être entraînés en translation, sur un rail 11, par des moyens moteurs 110. Les moyens moteurs 110 entraînant en translation l'ensemble des moyens de captation d'images sont équipés d'un codeur incrémental. Chaque caméra profilométrique est donc apte à réaliser un relevé de 30 profils successifs, chaque profil étant constitué par un nuage de points. On note que les deux relevés de profils ne sont pas faits simultanément, en vue d'éviter que le faisceau laser de l'une des caméras profilométriques se trouve située en face du champ de mesures de I 'autre caméra profilométrique. Afin d'éviter les déformations ou les décalages lors de la fusion des deux nuages de points, en vue d'obtenir une représentation 3D du pied de vigne, chaque caméra profilométrique détermine une position de référence, correspondant à un point de référence 12 placé sur la structure mobile du côté opposé à celui où se trouve la caméra profilométrique dans ledit point de référence. Cette mesure du point de référence est réalisée pour chaque pied de vigne, et permet de régler et calibrer les mesures dans le repère de référence de la structure (repères communs pour le GPS, les moyens de coupe et les caméras profilométriques situées entre les deux chenilles, verticalement sous le GPS 5). En d'autres termes, la localisation de points caractéristiques d'un pied 15 de vigne s'effectue dans un repère « local » défini autour du point de référence de la structure mobile elle-même ; les coordonnes GPS ne sont pas utilisées en tant que telles pour piloter les moyens de coupe. Ce processus de détermination d'une position de référence peut s'avérer déterminant dans certaines situations. En effet, les défauts sur le 20 terrain ou dans un déplacement angulaire (chenilles tournant en sens opposé par exemple) peut entraîner une légère torsion du châssis de la structure mobile. En procédant comme indiqué précédemment, on évite, ou a tout le moins on limite au maximum, le risque d'erreur une fois les nuages de points fusionnés. 25 En référence aux figures 2 et 3, on montre que la captation d'images à l'aide des deux caméras profilométriques (incluant les moyens de projection et les moyens 21 de relevé d'enregistrement) de part et d'autre d'une branche B, conduit à une conversion de l'image de la branche en un nuage de points N tel qu'illustré par la figure 3. 30 On remarque que le nuage N comprend deux groupes de points répartis chacun en arc-de-cercle. L'un des arcs-de-cercle correspond au relevé d'une des caméras (d'un côté de la branche) et l'autre arc-de-cercle au relevé exécuté par l'autre caméra (de l'autre côté de la branche). Le point de référence 12 peut être constitué d'une aiguille verticale. Ainsi, lors de la phase de fusion des nuages de points conduisant à une image 3D, les moyens de traitement des images déterminent l'emplacement de la pointe de l'aiguille, et calent tous les relevés d'images en fonction de la position de cette pointe d'aiguille en vue de corriger si besoin la déformation éventuelle du châssis de la structure mobile. Le processus d'un cycle de taille est le suivant : - la caméra profilométrique est amenée en position de détection d'un pied de vigne ; - la structure mobile est déplacée en s'orientant à l'aide des poteaux plantés le long du rang de vigne (les poteaux étant ceux du palissage sur fil) ; - un pied de vigne est détecté, conduisant à l'arrêt de la structure mobile ; - la caméra profilométrique est déplacée en translation, et procède à un relevé d'images du pied de vigne correspondant ; - les images sont converties en un nuage de points, ce nuage de points est analysé ; - les moyens de traitement déterminent une sélection automatique des points de coupe ; - des moyens de coupe sont déplacés aux positions de coupe, réalisent les coupes, sont ramenés en position d'attente.

Les étapes de traitement et d'analyse d'images sont décrites ci-après. Ces étapes mettent en oeuvre une librairie logiciel (« DLL ») permettant de convertir et de simplifier au maximum le nuage de points fournis par les caméras en un « squelette de pieds de vigne ». Un exemple de squelette de pieds de vigne est illustré par la figure 4 montrant une 30 succession de segments S et de points P. On note que cette représentation en segments et en points constitue l'étape finale de simplification de l'image d'origine du pied de vigne V.

Les paramètres caractérisant le squelette d'un pied de vigne sont stockés dans une base de données incluant des informations sur : - un code d'identification de chaque segment ou branche ; - un index de la branche parent (c'est-à-dire celle située en amont en partant du sol) ; - le niveau d'hérédité, par exemple en utilisant un code « 0 » pour le pied et un code « +1 » pour la branche parent ; - l'épaisseur d'une branche en position médiane entre le noeud (les noeuds (ou yeux) correspondant à la position des points P) 10 - l'épaisseur du noeud ; - les coordonnées X, Y et Z du noeud d'arrivée de chaque branche. Une fois la simplification du pied de vigne réalisée par la DLL, 15 conduisant à l'obtention du squelette mentionné précédemment, un algorithme permet de sélectionner les points de coupe selon la méthode de taille sélectionnée. Cet algorithme exécute à titre indicatif les phases essentielles suivantes : - détermination des coordonnées du premier « Y » du pied en 20 partant du bas du squelette (étant entendu que la base du Y est la branche parente et les deux bras supérieurs du Y correspondants aux branches « enfants ») ; - détermination, sur chaque partie du Y, de la branche principale grâce à une note attribuée en fonction : 25 - de son épaisseur la plus importante ; - de sa linéarité ; - du nombre de branches « filles » pour cette branche ; - attribution d'une « note » à chaque branche « filles » en fonction : 30 - du type de coupe habituelle du vigneron ; - de sa longueur ; - de sa direction ; - du nombre de noeuds (ou d'yeux) ; - de sa position sur la branche parent ; - sélection des points de coupe en fonction des branches à couper sélectionnées, et en fonction du type de taille sélectionné ; - répartition des points de coupe vers les deux moyens de coupe. On note qu'avec un robot de taille de vignes selon l'invention, le cycle de coupe dure environ une minute par pieds, voire seulement 30 secondes.

Claims

REVENDICATIONS1. Robot de taille de vignes, comprenant : une structure mobile (1) destinée à être déplacée entre des rangs de pieds de vigne ; des moyens de captation d'images relatives auxdits pieds de vigne et à leurs branches ; - des moyens de traitement (3) desdites images ; - des moyens de coupe (4) ; des moyens de pilotage (30) en liaison avec lesdits moyens de traitement (3) de façon à diriger lesdits moyens de coupe (4) sur des points de coupe et déclencher une coupe sur ces points de coupe, caractérisé en ce que les moyens de captation d'images comprennent : - des moyens de projection (20) d'au moins un faisceau laser sur lesdits pieds de vigne et leurs branches ; des moyens (21) de relevé et d'enregistrement d'une série d'images relatives à la forme dudit faisceau laser sur lesdits pieds de vigne et leurs branches.
2. Robot de taille de vignes selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de projection (20) sont montés mobiles en translation 25 sur ladite structure mobile (1) et sont susceptibles d'être entraînés en translation par des moyens moteurs (110).
3. Robot de taille de vignes selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens moteurs (110) sont pourvus d'un codeur incrémentai. 30
4. Robot de taille de vignes selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens (21) de relevé et d'enregistrement comprennent deuxcaméras disposées de façon à être placé de part et d'autre d'un rang de vigne.
5. Robot de taille de vignes selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens (21) de relevé et d'enregistrement comprennent au moins une caméra profilométrique.
6. Robot de taille de vignes selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de traitement (3) sont aptes à convertir lesdites images 10 en nuages de points.
7. Robot de taille de vignes selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de conversion desdits nuages de points en squelettes de pieds mettant en oeuvre une base de données incluant des 15 informations sur : des intersections de segments ; des coordonnées de noeuds ; des épaisseurs de noeuds. 20
8. Robot de taille de vignes selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite structure mobile (1) prend la forme d'un tunnel destiné à chevaucher un rang de vigne.
9. Robot de taille de vigne selon la revendication 1, caractérisé en ce 25 que ladite structure mobile (1) est portée par au moins une paire de chenilles (10).
10. Robot de taille de vignes selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite structure mobile (1) est équipée d'un système de positionnement 30 par satellite (5).