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Contribution à la commande de voiliers robotisés Miguel Angel ROMERO RAMIREZ Institut des Systèmes Intelligents et Robotique.

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1 Contribution à la commande de voiliers robotisés Miguel Angel ROMERO RAMIREZ Institut des Systèmes Intelligents et Robotique

2 Cadre applicatif Collecte de données des masses océaniques Collecte de données des masses océaniques Cartographie de zone dhabitats marins Cartographie de zone dhabitats marins Mesure de paramètres physico- chimiques Mesure de paramètres physico- chimiques 2

3 Cadre applicatif Intérêt des voiliers robotisés : Échantillonnage spatial contrôlé Échantillonnage spatial contrôlé Disponibilité Disponibilité Autonomie énergétique Autonomie énergétique 3

4 Projet ASAROME Autonomous Sailing Robot for Oceanographic Measurements Financé par lANR 4 Plateforme (mini-j) Simulateur numérique Perception Navigation et commande

5 Particularité Pas de contrôle direct de la force de propulsion Pas de contrôle direct de la force de propulsion Ǝ une direction où la force de propulsion est nulle Ǝ une direction où la force de propulsion est nulle 5

6 Particularité Deux entrées de commande disponibles : 6 Angle de bôme, qui modifie la force de propulsion Angle de safran, qui fait changer le cap du bateau

7 Objectif 7 Détermination dun cap afin : datteindre un ou plusieurs points de passage de façon autonome de sadapter aux conditions du vent déviter les obstacles

8 Plan 8 Simulateur Voilier Navigation Commande Description du simulateur Description du simulateur Outils de simulation (IG) Outils de simulation (IG) Exploitation du simulateur. Exploitation du simulateur. ConclusionPerspectives Simulateur Architecture L/M (ASAROME) Architecture L/M (ASAROME) Architecture L/M (RC) Architecture L/M (RC) Voilier Sélection dangle de voile Sélection dangle de voile Asservissement du cap Asservissement du cap Commande Projection de la vitesse Projection de la vitesse Floue Floue Champs de potentiel artificiel Champs de potentiel artificiel Navigation et évitement des obstacles Simulation Simulation Expérimentaux Expérimentaux Résultats

9 9 Description du simulateur Description du simulateur Outils de simulation (IG) Outils de simulation (IG) Exploitation du simulateur Exploitation du simulateurSimulateur Simulateur Simulateur Voilier Commande Navigation Résultats Conclusion Perspectives

10 Simulateur Exact par rapport à la dynamique des corps solides en mouvement + Détermination des efforts hyrdro-aérodynamiques grâce aux modèles empiriques 10 Modèlecinématique Modèleaérodynamique Modèlehydrodynamique Equations de mouvement RK État t Position Orientation Vitesses Accélérations Vent Ang. safran Ang. safran Ang. voile Ang. voile

11 Simulateur Interface aisée avec des outils de simulation, tel que Matlab, des interfaces graphiques utilisateurs, etc. 11 Simulateur numérique codé en Fortran prend la forme dune librairie dynamique (DLL : Dynamic Link Library) sous Windows

12 Interface graphique 12

13 Interface graphique Boucle ouverte : Boucle ouverte : lutilisateur assigne directement les valeurs des angles de voile et safran Boucle fermée : Boucle fermée : lutilisateur spécifie un (ou plusieurs) point(s) de passage Grâce à cette interface graphique il est possible de piloter le voilier selon deux modes : 13 WP IG Algo. Nav. consignes Simulateur. Algo cmd. Etat

14 Exploitation du simulateur Polaires de vitesse 14 Polaire de bôme Enveloppe Convexe Vitesses du vent Polaire de vitesse (Pour une vitesse de vent fixé.) Polaires de vitesse

15 Exploitation du simulateur Polaires de vitesse 15 No-go zone up wind No-go zone down wind

16 16 Test sous conditions similaires à celles définies par l ITTC Exploitation du simulateur Comportement en virage

17 17 Réponse au changement dangle de safran Approximation de la fonction de transfert en cap Exploitation du simulateur Réponse indicielle

18 18 Architecture L/M (ASAROME) Architecture L/M (ASAROME) Architecture L/M (RC) Architecture L/M (RC)Voilier Voilier Simulateur Voilier Commande Navigation Résultats Conclusion Perspectives

19 Architecture (mini – j) Matérielle 19 CaractéristiqueUnitésValeur Déplacementkg223,30 Longueurm3,70 Surface de voilem2m2 3,30

20 Architecture (mini – j) Logicielle 20

21 Architecture (mini – j) Matérielle 21

22 Architecture (RC) 22 CaractéristiqueUnitésValeur Déplacementkg18 Longueurm1,40 Surface de voilem2m2 0,70

23 Architecture (RC) Logicielle 23 Compatible avec le voilier ASAROME Modulaire : facilité pour intégrer autres algorithmes de commande / autres fonctionnalités Codé en C / C++

24 Architecture (RC) Matérielle 24

25 Architecture (RC) 25 Basé sur une coque commerciale de la marque Robe Modification pour intégrer lélectronique embarquée et maintenir son étanchéité Conception et fabrication des pièces nécessaires pour ladaptation du voilier, par exemple : Girouette / anémomètre Codeur de la bôme. Pièce dadaptation de la quille.

26 Architecture (RC) Matérielle 26 Interface avec lordinateur embarqué Interface pour la télécommande Contrôleur des servomoteurs Acquisition du vent Activation des comportements durgence Carte bas niveau : Arduino Nano

27 Architecture (RC) Matérielle 27 Implantation des algorithmes de navigation Interface USB avec : Carte Arduino Mti – G (Centrale inertielle + GPS) Possibilité de connexion WiFi Ordinateur Navigation : PC Linux

28 28 Commande Sélection dangle de voile Sélection dangle de voile Asservissement du cap Asservissement du cap Commande Simulateur Voilier Commande Navigation Résultats Conclusion Perspectives

29 Commande Sélection dangle de voile 29 Réglage de voile en fonction de langle de vent apparent (Y. Brière, TAROS 2007)

30 Commande 30 Ne sont pas formellement découplées mais : Langle de safran modifie principalement le cap Langle de voile modifie principalement la vitesse davance Hypothèse de découplage des deux entrées de commande

31 Commande 31 Asservissement de cap : Influence des gains du régulateur PD Asservissement de cap

32 Bilan 32 Besoins SimulateurVoiliersCommandeNavigation PilotageMoyens

33 33 Projection de la vitesse Projection de la vitesse Floue Floue Champs de potentiel Champs de potentiel Navigation et évitement des obstacles Navigation Simulateur Voilier Commande Navigation Résultats Conclusion Perspectives

34 Navigation No-go zones 34 Principes 1.propulsion non nulle 2. rejoindre lobjectif 3.éviter les obstacles

35 Méthode de projection de la vitesse 35

36 Navigation Méthode de projection de la vitesse 36

37 Navigation 37 Introduction dun facteur dhystérésis privilégier cap Introduction dun facteur dhystérésis privilégier cap courant pour réduire : courant pour réduire : Perte de vitesse Perte de vitesse Utilisation des voiles et safran Utilisation des voiles et safran (consommation dénergie) (consommation dénergie) Lhystérésis ( w) Actual heading VMG | w = 1 VMG | w < 1 Influence du facteur dhystérésis sur la navigation.

38 Navigation Méthode de projection de la vitesse 38 Pour guider le navire vers son objectif Basée sur la minimisation de fonctions de coût Avec VMG normalisée et w le facteur dhystérésis

39 Navigation 39 Méthode de projection de la vitesse Evitement dobstacles If d obs < d0 If d obs > d0

40 Navigation Méthode de projection de la vitesse 40 Détermination dun cap consigne

41 Méthode dinférence floue 41

42 Navigation 42 Méthode floue Premier ensemble flou maximise la vitesse vers lobjectif WWW

43 Navigation 43 Méthode floue Deuxième ensemble floue éloigne le bateau des obstacles If d obs < d0 WWW

44 Navigation Méthode floue 44 Détermination dun cap consigne

45 Angle qui maximise la surface de sortie du système dinférence floue Navigation 45 Méthode floue

46 Méthode des champs de potentiels 46

47 Navigation 47 Méthode des champs de potentiels Notre méthode considère deux champs de potentiel : Le premier, local et attaché au bateau, lié à la direction du vent et le cap courant Le deuxième, global, lié au waypoint et aux obstacles

48 Navigation 48 Potentiel local Le champ de potentiel local résulte de la somme de quatre potentiels répulsifs :

49 Navigation 49 Potentiel local Le champ de potentiel local résulte de la somme de quatre potentiels répulsifs : Ps

50 Navigation 50 Potentiel local Le champ de potentiel local résulte de la somme de quatre potentiels répulsifs : Si 0 up ailleurs Si 0 down ailleurs Pup Pdown

51 Navigation 51 Potentiel d hystérésis Le champ de potentiel local résulte de la somme de quatre potentiels répulsifs : Si 0 up down ailleurs Ph

52 Navigation 52 Potentiel global Le champ de potentiel global est calculé classiquement : Attirer le voilier vers lobjectif et léloigner des obstacles

53 Navigation 53 Potentiel total Le potentiel total Pt est calculé par laddition de chacun des potentiels local et global Détermination du cap consigne descente de gradient

54 54 Simulation Simulation Expérimentation ExpérimentationRésultats Résultats Simulateur Voilier Commande Navigation Résultats Conclusion Perspectives

55 Résultats 55 Conditions de simulation

56 Résultats 56 Conditions de simulation TWA = 90° TWS = 10 nd

57 Résultats 57 Les 3 algorithmes permettent de piloter le voilier vers son objectif quelque soit la direction du vent floue P.V. C.P. Vent constat

58 Résultats 58 Les 3 algorithmes permettent de piloter le voilier vers son objectif quelque soit la direction du vent floue P.V. C.P. Vent réel

59 Résultats 59 Les 3 algorithmes sont robustes par rapport à la forme de la polaire : il est possible dutiliser une polaire «réaliste» ou bien «idéale» Polaire idéale CP Polaire réaliste Polaire idéale CP Polaire réaliste

60 Résultats 60 Les 3 algorithmes permettent déviter les obstacles quelque soit la direction du vent C.P.

61 Courbe polaire Conclusion 61 Projection de la vitesse Méthode floue Champs de potentiel Amplement utilisée par les skippers humains Amplement utilisée par les skippers humains Moins réactif que la méthode des champs de potentiel Moins réactif que la méthode des champs de potentiel Trajectoires moins réactives séloignent du chemin plus court Trajectoires moins réactives séloignent du chemin plus court Sensible aux rayons dinfluence des obstacles Sensible aux rayons dinfluence des obstacles Plusieurs paramètres à régler Plusieurs paramètres à régler Permet de représenter les tâches et contraintes (obstacles) de façon unifié Permet de représenter les tâches et contraintes (obstacles) de façon unifié Facilité dutilisation (par rapport aux autres méthodes) Facilité dutilisation (par rapport aux autres méthodes)

62 Résultats expérimentaux (Méthode des champs de potentiel) 62 Voilier basé sur le modèle RC Test sur le lac de Créteil

63 Résultats expérimentaux 63 Test suivi de cap

64 Résultats expérimentaux 64 Vent dominant

65 Résultats expérimentaux 65 Vent dominant

66 66 Conclusion Conclusion Simulateur Voilier Commande Navigation Résultats Conclusion Perspectives

67 Conclusion 67 Vent Obstacles Wp 3 méthodes de sélection de cap

68 Conclusion La méthode de champs de potentiel présente la grand avantage dunifier la représentation des contraintes de la navigation à voile et les tâches à réaliser 68

69 Conclusion 69 Validation expérimentale

70 Perspectives 70 Amélioration de la commande des mouvements pour optimiser : Les manœuvres de changement de bord La manœuvrabilité La prise de vitesse

71 Perspectives 71 Lextension des méthodes de navigation : Suivi de route Introduction de la notion de temps de déplacement

72 Perspectives 72 Le développement dun planificateur de haut-niveau : Compromis objectif/consommation énergétique Mise en sécurité Capacité de fonctionner en modes dégradés

73 73 Merci de votre attention

74 74

75 75

76 76 Autres Slides Perspectives Simulateur Voilier Commande Navigation Résultats Conclusion Perspectives

77 Généralités du simulateur Utilité des connaissances acquises: 77 Pondération de la polaire de vitesse par la polaire de gîte

78 Navigation 78 Limitation de la gîte

79 Navigation 79 Limitation de la gîte TWA(t=0s): 290°; TWA(t=50s): 45°; TWA(t=100s): 290°


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