Robots marins et sous-marins - Perception, modélisation, commande

1 - Catégories de véhicules et applications

• 1.1 - Véhicules de surface (USV)
  Figure 1 - À gauche, le véhicule de surface DriX d’Exail. On remarque le mat central, porteur d’antennes et de nombreux capteurs (caméra infrarouge, caméra vidéo, LIDAR, GPS, etc.) (crédit : Exail). À droite, le Jellyfishbot de IADYS utilisé pour la dépollution (crédit : IADYS) Figure 2 - Le robot voilier Saildrone Surveyor de la société Saildrone. Ce véhicule mesure 20 m de long. Sa voile mesure 13 m de hauteur et il est équipé d’une quille instrumentée de 3 m. Sa propulsion vélique lui confère une autonomie de 6 mois, complétée par une propulsion diesel-électrique lui permettant de parcourir 2 500 milles nautiques à 6 nœuds. Parmi les charges utiles embarquées, on peut citer par exemple les sondeurs multifaisceaux ou les ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) (crédit : Saildrone, USA) Figure 3 - Le wave-glider SV2 de Liquid Robotics et le principe de fonctionnement de son mode de propulsion. Le poids de la partie immergée maintient tendu le câble qui la relie à la partie flottante. L’orientation variable des volets (en rose sur la figure), conjuguée aux mouvements verticaux imposés par la partie flottante, engendre une poussée horizontale qui fait avancer l’ensemble (copyright : Liquid Robotics)
• 1.2 - Véhicules sous-marins téléopérés (ROV)
  Figure 4 - Le ROV d’observation Tortuga 500, de la société française Subsea Tech. Ce robot peut travailler jusqu’à 500 m de profondeur et dispose de quatre propulseurs longitudinaux orientables (17 kgf par propulseur) et deux propulseurs verticaux (10 kgf par propulseur). L’orientation des propulseurs permet d’optimiser la poussée en fonction de l’application et de travailler en présence de forts courants marins (jusqu’à 4 nœuds) (crédit : Subsea Tech) Figure 5 - Le ROV Victor 6000 d’Ifremer (crédit : Ifremer) Figure 6 - Le ROV d’intervention H2000 de la société Exail (anciennement ECA robotics) et son garage/TMS (Tether Management System). Les deux bras blancs actionnés par des vérins constituent la partie mobile du LARS (Launch And Recovery System). Ce robot de 900 kg peut opérer jusqu’à 2 000 m de profondeur (copyright : Exail – ECA)
• 1.3 - Véhicules autonomes sous-marins (AUV)
  Figure 7 - l’AUV Ulyx d’Ifremer. À l’arrière, on aperçoit un propulseur et deux de ses quatre gouvernes, qui ont la particularité d’être placées en X (crédit : Ifremer)
• 1.4 - Gliders
  Figure 8 - Le glider SeaExplorer (2,9 m, 59 kg) de la société française Alseamar en train de communiquer en surface (crédit : Alseamar). Ce véhicule peut parcourir jusqu’à 1 700 km en 110 jours (selon les capteurs embarqués)
• 1.5 - Autres catégories de véhicules sous-marins
  Figure 9 - Le HROV Ariane d’Ifremer lors de sa récupération par le navire l’Europe. Sur le flanc de l’appareil, on aperçoit deux propulseurs externes et deux propulseurs traversants. La gauche de l’image correspond à l’avant du véhicule. On y observe une des caméras (en haut), le tiroir à échantillons (en bas) et l’un des bras manipulateurs replié. Soulevée par un treuil solidaire du portique, Ariane vient se loger dans un système de docking (en gris sous le portique) qui assure la stabilisation du robot pendant les phases de rentrée ou de sortie du portique (crédit : Ifremer, Olivier Dugornay) Figure 10 - Le robot humanoïde sous-marin Ocean Onek de l’université Stanford lors d’une plongée sur une épave méditerranéenne en 2022. Ce prototype de robot est l’évolution de son prédécesseur, Ocean One. Il mesure près de 2 m de longueur et pèse près de 200 kg. Sur cette photo, ses mains sont fermées et il tient dans sa main droite un outil de prélèvement (crédit : F. Osada, DRASSM – Stanford University) Figure 11 - Le prototype Angels (ici représenté avec seulement trois de ses neuf modules) se déplace rapidement en configuration anguille, puis se décompose en éléments indépendants une fois le point d’intérêt rallié (crédit : École des mines de Nantes – LS2N & Scuola Superiore Santa Anna – CRIM Lab) Figure 12 - Les méduses AquaJelly 2.0 de Festo (copyright : Festo AG & Co. KG) et le poisson Jessiko (crédit : Robotswim)

2 - Localisation, perception, communication

• 2.1 - Localisation et attitude
  Figure 13 - Transducteur USBL (GAPS) monté sur perche pivotante sur le flanc d’un navire, dont on voit la coque en arrière-plan. Une fois la perche descendue dans l’eau, des bouts sont tendus vers l’avant et l’arrière du bateau pour la stabiliser. En navigation, la perche est remontée hors de l’eau (crédit : Frédéric Osada, DRASSM – Images Explorations)
• 2.2 - Perception de l’environnement
  Figure 14 - Les faisceaux d’émission et de réception d’un sondeur multifaisceau Figure 15 - Forme du faisceau acoustique émis par un sonar monofaisceau de profilage (à gauche) et d’imagerie (à droite) Figure 16 - Exemple d’acquisitions par un sonar à balayage monofaisceau de profilage (à gauche) et d’imagerie (à droite). En haut, on visualise la façon dont le faisceau balaie l’environnement. En bas, on visualise l’allure de l’image sonar correspondante Figure 17 - Forme des faisceaux acoustiques émis par un sonar multifaisceau de profilage (à gauche) et d’imagerie (à droite) Figure 18 - Exemple d’image acoustique de plusieurs rochers gisant sur un fond sédimentaire, obtenue par une caméra acoustique Blueprint Oculus M1200d réglée à 1,2 MHz (crédit : DRASSM) Figure 19 - Principe d’acquisition d’un sonar latéral ou sidescan sonar Figure 20 - Exemple d’acquisition par sonar latéral (4200 : Multi-Purpose Survey System de EdgeTech). On distingue une bande noire au centre séparant les images issues des deux faisceaux latéraux. Cette bande correspond au parcours du son dans la colonne d’eau (donc sans écho) avant que le premier écho du fond n’apparaisse. On observe une épave et des débris. Les ombres informent sur la hauteur des débris (crédit : Image courtesy of EdgeTech) Figure 21 - Image acquise par sonar à ouverture synthétique HISAS 1030 embarqué à bord de l’AUV HUGIN 1000. La longueur de l’épave est de 68 m (pétrolier Holmengraa reposant par 77 m de fond) (crédit : Kongsberg Maritime) Figure 22 - Sur le module du prototype Angels représenté en haut, on distingue, sur le flanc du véhicule, les électrodes utilisées pour l’électrolocation (crédit : IMT Atlantique (Nantes) – LS2N & Scuola Superiore Santa Anna – CRIM Lab). En bas, on visualise le champ électrique créé par le poisson gnathonemus petersii. Les lignes de champ sont perturbées par les obstacles conducteurs ou non (crédit : IMT Atlantique (Nantes) – LS2N). Le prototype Angels reproduit ce mode de perception
• 2.3 - Communications sous-marines

3 - Modélisation des véhicules

• 3.1 - Cinématique
  Figure 23 - Le repère fixe … Figure 24 - Les trois transformations successives permettant de passer du repère …
• 3.2 - Dynamique
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4 - Commande des véhicules

• 4.1 - Introduction
• 4.2 - Commande PID
• 4.3 - Commande adaptative à retour d’état
  Figure 25 - Schéma-bloc de la commande à retour d’état classique Figure 26 - Le véhicule sous-marin Speedy du LIRMM lors d’une plongée sur l’épave de la Lune (1664), à 90 m de profondeur, au large de Carqueiranne (Var), dans le cadre d’une expertise menée conjointement par le DRASSM (département des recherches archéologiques subaquatiques et sous-marines, ministère de la Culture) et le LIRMM (crédit : F. Osada – T. Seguin, DRASSM – Images Explorations)
• 4.4 - Commande en régime glissant
• 4.5 - Comparaison expérimentale des trois méthodes proposées
  Figure 27 - Résultats expérimentaux d’asservissement de profondeur avec les commandes : PID (en haut), adaptative à retour d’état (au milieu) et en régime glissant (en bas). Dans la colonne de gauche, on visualise l’évolution de la profondeur d’immersion … Figure 28 - Évolution temporelle du paramètre estimé de flottabilité …

5 - Aspects environnementaux

6 - Conclusion

7 - Glossaire