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

Cadre applicatif Collecte de données des masses océaniques Cartographie de zone d’habitats marins Mesure de paramètres physico-chimiques La nécessite des moyens plus efficaces pour l’exploration des environnements océaniques afin d’effectuer une vaste gamme des tâches tels que :

Intérêt des voiliers robotisés : Cadre applicatif Intérêt des voiliers robotisés : Échantillonnage spatial contrôlé Disponibilité Autonomie énergétique Si nous parlons en termes de praticité et du coût économique, les voiliers autonomes présentent plusieurs avantages : Échantillonnage spatial contrôlé: Haut mobilité (vs bouées ancrées), Contrôle de sa localisation (vs bouées dérivantes). Disponibilité: Bas coût d’opération et simplification logistique (vs navires océanographiques). Pas des équipiers, Taille réduite, Pas besoin de se reposer. Ces avantages sont le centre d’intérêt des trois partenaires qui font partie du projet ASAROME 

Autonomous Sailing Robot for Oceanographic Measurements Projet ASAROME Autonomous Sailing Robot for Oceanographic Measurements Financé par l’ANR Perception Navigation et commande Simulateur numérique Plateforme (mini-j) L’objectif de ce projet est de démontrer la pertinence de l’usage d’engins de surface autonomes à voile pour la réalisation de missions de mesures et d’observations en milieu marin. Chaque un des trois partenaires ont collaboré avec ses expertises: Robosoft a apporté la plateforme expérimentale basé sur une coque d’un voilier de type mini-j . L’ECN a développé un simulateur numérique fondé sur les caractéristiques propres du démonstrateur fourni par Robosoft. Nous nous avons servi du simulateur pour tester les algorithmes de navigation que j’ai développé au cours de ma thèse. L’ISIR a pris la responsabilité de développer les algorithmes de perception, navigation et commande, et pour le cas spécifique de mon travail de thèse on s’interesé dans le problème de la navigation à voile car 

Particularité Pas de contrôle direct de la force de propulsion Ǝ une direction où la force de propulsion est nulle La navigation à voile n’est pas un problème trivial: Et en plus de ces contraintes, les bateaux à voile ont une façon particulier de se faire guider 

Particularité Deux entrées de commande disponibles : Angle de bôme, qui modifie la force de propulsion Angle de safran, qui fait changer le cap du bateau Développement d’algorithmes de navigation pour la détermination d’un cap permettant au voilier de se déplacer vers un objectif aussi vite que possible tout en évitant les obstacles. Donc, il est possible de postuler le problème de navigation comme la nécessité de sélectionner un cap pour rejoindre un objectif. Hypotese demontré plus tarde

Détermination d’un cap afin : Objectif Détermination d’un cap afin : d’atteindre un ou plusieurs points de passage de façon autonome de s’adapter aux conditions du vent d’éviter les obstacles

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

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

Simulateur Vent Modèle cinématique aérodynamique hydrodynamique Étatt Position Orientation Vitesses Accélérations RK Equations de mouvement Ang. safran Ang. voile Exact par rapport à la dynamique des corps solides en mouvement + Détermination des efforts hyrdro-aérodynamiques grâce aux modèles empiriques

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

Interface graphique Interface graphique qui permet visualiser les principaux paramètres de mouvement Trajectoire avec matérialisation du voilier, Cap et vitesse courante, Gîte, Direction du vent et polaire de vitesse, Angles de voile et safran.

Interface graphique Grâce à cette interface graphique il est possible de piloter le voilier selon deux modes : Boucle ouverte : l’utilisateur assigne directement les valeurs des angles de voile et safran Boucle fermée : l’utilisateur spécifie un (ou plusieurs) point(s) de passage WP IG Algo. Nav. consignes Simulateur. Algo cmd. Etat L’interface graphique est capable d’appeler les algorithmes de navigation pour déterminer un cap en fonction de l’état courant, la position du waypoint et les conditions du vent instantané. Aussi, une fois que le cap est déterminé, l’interface graphique appelle les fonctions d’asservissement de cap et de réglage de la voile. En utilisant cette interface graphique nous avons exploite le simulateur pour tester les algorithmes développes ainsi que pour découvrir les caractéristiques intrinsèques du bateau, par exemple:

Exploitation du simulateur Polaires de vitesse Enveloppe Convexe Vitesses du vent Utilisée dans les 3 algorithmes pour déterminer un cap consigne navigable Pour la construire on fixe la vitesse et direction du vent Apres on fixe l’angle de bôme et on suit un cap par rapport à la direction du vent jusqu’à que la vitesse se stabilise. Cette vitesse fait un point sur la polar. Ensuite, nous modifions le cap …. On repet pour differents angles de bôme et on obtiens la courbe polaire de la bôme Polaire de vitesse (Pour une vitesse de vent fixé.) Polaires de vitesse Polaire de bôme

Exploitation du simulateur Polaires de vitesse No-go zone up wind No-go zone down wind Pour la sélection de cap avec les stratégies de navigation que nous proposons , nous avons défini deux zones d’interdiction à la navigation par rapport au vent réel: La première est clairement visible dans la polaire le bateau ne peut pas naviguer en direction au vent La deuxième, si bien il est possible de naviguer avec le vent arrière, cet allure n’est pas convenaient car il n’est pas efficient (la voile génère seulement un effort de trainée ) et aussi car le bateau peut effectuer des empannages non désirés  la bôme peut changer d’angle brutalement.

Exploitation du simulateur Comportement en virage Nous avons reproduit en simulation les conditions de tests d'un virage continu préconisées par l'ITTC (ITTC International Towing Tank Conference) Ce test de manœuvrabilité permet d'évaluer la capacité d'un bateau à réaliser des manouvres de changement de cap et définit des mesures de manœuvrabilité telles que le diamètre tactique et l’avance à 90° La valeur du rayon tactique et avancement à 90° est donc considéré pour l’évitement d’obstacles Test sous conditions similaires à celles définies par l’ ITTC

Exploitation du simulateur Réponse indicielle DEFINIR psi et alfa! (Cap et angle de safran) Finalement…. C’est formellement faux car il est dépendant d’alfa (angle de safran)  écoulement laminaire / turbulent Cette approximation donne une idée du comportement et nous a servi pour calculer les coefficients pour le correcteur PID utilisé pour le suivi de cap. Réponse au changement d’angle de safran  Approximation de la fonction de transfert en cap

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

Architecture (mini – j) Matérielle Caractéristique Unités Valeur Déplacement kg 223,30 Longueur m 3,70 Surface de voile m2 3,30

Architecture (mini – j) Logicielle

Architecture (mini – j) Matérielle

Architecture (RC) Caractéristique Unités Valeur Déplacement kg 18 Longueur m 1,40 Surface de voile m2 0,70

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

Architecture (RC) Matérielle

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

Architecture (RC) Matérielle Carte bas niveau : Arduino Nano Interface avec l’ordinateur embarqué Interface pour la télécommande Contrôleur des servomoteurs Acquisition du vent Activation des comportements d’urgence par exemple: perte de communication avec la télécommande

Architecture (RC) Matérielle Ordinateur Navigation : PC-104 + Linux Implantation des algorithmes de navigation Interface USB avec : Carte Arduino Mti – G (Centrale inertielle + GPS) Possibilité de connexion WiFi

Sélection d’angle de voile Asservissement du cap Simulateur Voilier Commande Navigation Résultats Conclusion Perspectives Commande Sélection d’angle de voile Asservissement du cap

Commande Sélection d’angle de voile Réglage de voile en fonction de l’angle de vent apparent (Y. Brière, TAROS 2007)

Hypothèse de découplage des deux entrées de commande Ne sont pas formellement découplées mais : L’angle de safran modifie principalement le cap L’angle de voile modifie principalement la vitesse d’avance A.Voile (T0) = 35°; A.Voile (T20) = 5° A.Voile (T35) = 35° | Angle Safran = 0 (T0  Tf) A.Safran (T0) = 0°; A.Safran (T20) = 10° A.Safran (T21) = 0° | Angle Voile= 35° (T0  Tf)

Asservissement de cap : Influence des gains du régulateur PD Commande Asservissement de cap Afin de guider le choix des gains du correcteur PID, nous avons réalisé des simulations de réponse en cap du voilier pour différentes valeurs des gains proportionnel et dérivé. Dans ces simulations, le voilier part de l'origine avec un cap initial de 90° et une consigne de cap de 90°. A t=50s, l'angle de cap consigne passe à 50°. On constate sur ces relevés que l'utilisation d'un terme dérivé permet de réduire le temps de réponse par rapport à un correcteur proportionnel simple. D'autre part, le fait de pouvoir augmenter la valeur du gain proportionnel sans oscillations de la réponse en cap permet de diminuer fortement l'erreur statique. Asservissement de cap : Influence des gains du régulateur PD

Bilan Besoins Moyens Pilotage Simulateur Voiliers Commande Navigation

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

Navigation No-go zones Principes propulsion non nulle rejoindre l’objectif éviter les obstacles

Méthode de projection de la vitesse

Navigation Méthode de projection de la vitesse Cette méthode est amplement utilisé pour les skippers à fin de déterminer en fonction du vent, le cap qui donne la meilleure vitesse d’avancement vers l’objectif. STELZER VIDEO Dans des conditions ou il existe une route directe vers le point de passage le cap sélectionné sera en direction de l’objectif Néanmoins, dans le cas que le point de passage soit dans une direction ou la navigation directe n’est pas possible, l’algorithme déterminera le le cap avec la meilleur vitesse d’avancement vers l’objectif (montrer que n’est pas toujours le cap navigable le plus proche à la direction du vent) Cette méthode est employée le plus souvent lors de la remontée contre le vent. Toutefois il est possible de l’utiliser aussi au vent arrière, car les voiles ont un rendement médiocre et il existe aussi le risque des empannages non désirés. Nous présentons une extension pour l’évitement d’obstacle pour l’implémentation de cet méthode que avait été déjà testé dans le voilier autonome RoBoat de R.Stelzer.

Influence du facteur d’hystérésis sur la navigation. L’hystérésis (hw) Introduction d’un facteur d’hystérésis  privilégier cap courant pour réduire : Perte de vitesse Utilisation des voiles et safran (consommation d’énergie) Cette hystérésis serve à privilégier le cap actuel car chaque virement de bord implique une perte de vitesse et l’utilisation des voiles et safran…. Ensuite, la troisieme consideration est (suivante) Actual heading VMG | hw = 1 VMG | hw < 1 Influence du facteur d’hystérésis sur la navigation.

Navigation Méthode de projection de la vitesse Basée sur la minimisation de fonctions de coût Pour guider le navire vers son objectif À partir de cette notion de projection de la vitesse (VMG normalisée) donc, nous construisons une fonction de coût que serve à guider le bateau, vers son objectif , le plus rapidement possible (meilleur compromise cap/vitesse) toujours en ajoutant le facteur d’hysteresis Avec VMG normalisée et hw le facteur d’hystérésis

Navigation Méthode de projection de la vitesse Evitement d’obstacles If dobs < d0 If dobs > d0 Pour l’évitement d’obstacles, nous utilisons une fonction de coût simple (expliquer rapidement la fcn)

Navigation Méthode de projection de la vitesse Détermination d’un cap consigne Pour la détermination du cap consigne il sufit de trouver l’angle de cap qui minimize la fonction de coût total. Cette est un fonction de l’hysteresis, la projection de la vitesse ( vmg polaire) et l’influence des obstacles

Méthode d’inférence floue

Navigation Méthode floue Premier ensemble flou  maximise la vitesse vers l’objectif Dans un deuxième approche, nous utilisons un système d’inférence flou pour déterminer le cap consigne en fcn du compromis cap-vitesse vers l’objectif (suivant) W W W

Navigation Méthode floue Deuxième ensemble floue  éloigne le bateau des obstacles If dobs < d0 W W W Et aussi en fonction de la « sureté » du cap par rapport à la présence d’obstacles

Navigation Méthode floue Détermination d’un cap consigne Les valeurs du coût du cap obtenues grâce à les deux fcn précédentes son évaluées en utilisant un système d’inference floue de type mamdani basé sur un ensemble de 9 règles floues simples.

Angle qui maximise la surface de sortie du système d’inférence floue Navigation Méthode floue Détermination d’un cap consigne Angle qui maximise la surface de sortie du système d’inférence floue Valeur maximale sur la surface = cap consigne

Méthode des champs de potentiels

Navigation 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

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

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

Navigation Pup Pdown Potentiel local Le champ de potentiel local résulte de la somme de quatre potentiels répulsifs : Si 0<|f|< fup ailleurs Pup Pdown Si 0<|f|< fdown ailleurs

Navigation Ph Potentiel d’ hystérésis Le champ de potentiel local résulte de la somme de quatre potentiels répulsifs : Ph Si 0<| fup |< p - fdown ailleurs

Attirer le voilier vers l’objectif et l’éloigner des obstacles Navigation Potentiel global Le champ de potentiel global est calculé classiquement : Attirer le voilier vers l’objectif et l’éloigner des obstacles Pour les obstacles nous avons utilisé un champ potentiel simple ( sans potentiels de fuite) car il n’est pas nécessaire créer des champs repulsifs très compliqués du la bas –quasi nulle – densité d’obstacles en mer ouverte. Notre projet ne considère pas l’entré au port.

Détermination du cap consigne  descente de gradient Navigation Potentiel total Le potentiel total Pt est calculé par l’addition de chacun des potentiels local et global Détermination du cap consigne  descente de gradient

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

Résultats Conditions de simulation

Résultats Conditions de simulation TWS = 10 nd TWA = 90° Conditions de simulation par rapport au vent: Vent cte Profil de vent réel 1 polaire « réaliste » + 1 polaire « idéale »

Résultats Les 3 algorithmes permettent de piloter le voilier vers son objectif quelque soit la direction du vent C.P. floue P.V. Dans un premier temps, les simulations ont été effectuées sous conditions du vent constant… Nous pouvons regarder que les trois algorithmes sont capables de conduire le bateau en passant pour tous les waypoints Vent constat

Résultats Les 3 algorithmes permettent de piloter le voilier vers son objectif quelque soit la direction du vent C.P. floue P.V. Dans un deuxième temps, nous avons obtenu des résultats aussi favorables avec les simulations effectuées en utilisant le profil du vent réel Vent réel

il est possible d’utiliser une polaire «réaliste» ou bien «idéale» Résultats Les 3 algorithmes sont robustes par rapport à la forme de la polaire : il est possible d’utiliser une polaire «réaliste» ou bien «idéale» Les algorithmes dépendent de la connaissance spécifique du comportement du voilier (au moins des no-go zones). Polaire idéale CP Polaire réaliste

Résultats Les 3 algorithmes permettent d’éviter les obstacles quelque soit la direction du vent Différentes positions par rapport à l’allure du voilier. C.P.

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

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

Résultats expérimentaux Test suivi de cap Description Ensuite dans le premier essai nous avons corroboré que le bateau était capable de réaliser un « aller retour » simple

Résultats expérimentaux Vent dominant

Résultats expérimentaux Vent dominant

Simulateur Voilier Commande Navigation Résultats Conclusion Perspectives

Conclusion 3 méthodes de sélection de cap Vent Wp Obstacles Les trois méthodes sont capables de conduire le voilier autonome le plus vite possible vers son objectif , tout en évitant les obstacles. Nous avons préféré le dernier car il présent des avantages non négligeables.

Conclusion La méthode de champs de potentiel présente la grand avantage d’unifier la représentation des contraintes de la navigation à voile et les tâches à réaliser paramétrage soit plus aisé et en conséquence une Utilisation plus aisé

Conclusion Validation expérimentale Mais qui doivent être pousuivies …. Cet travail de thèse ouvre également une certain nombre de perspectives qui peuvent permettre d’améliorer les performances et l’autonomie des voiliers robotisés. A notre sens nous pouvons recommander trois grands axes d’amélioration:

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

L’extension des méthodes de navigation : Perspectives L’extension des méthodes de navigation : Suivi de route Introduction de la notion de temps de déplacement Cet travail de thèse ouvre également une certain nombre de perspectives qui peuvent permettre d’améliorer les performances et l’autonomie des voiliers robotisés. A notre sens nous pouvons recommander trois grands axes d’amelioration:

Le développement d’un planificateur de haut-niveau : Perspectives Le développement d’un planificateur de haut-niveau : Compromis objectif/consommation énergétique Mise en sécurité Capacité de fonctionner en modes dégradés Cet travail de thèse ouvre également une certain nombre de perspectives qui peuvent permettre d’améliorer les performances et l’autonomie des voiliers robotisés afin d’avoir une longue autonomie  présence semi-persistent. A notre sens nous pouvons recommander trois grands axes d’amélioration:

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Simulateur Voilier Commande Navigation Résultats Conclusion Perspectives Autres Slides

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

Navigation Limitation de la gîte

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