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RÉSUMÉ
Dans cet article, nous présentons les diverses catégories de robots marins et sous-marins en détaillant leurs domaines d'application et les aspects technologiques et scientifiques associés. Nous présentons ensuite leurs moyens de localisation, de perception (notamment acoustiques) et de communication, et nous en donnons les principales caractéristiques techniques. Dans une troisième partie, nous faisons l'inventaire des forces subies par de tels véhicules et nous établissons leur modèle dynamique. Enfin, nous présentons les trois approches de commande les plus utilisées et nous les comparons expérimentalement.
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Vincent CREUZE : Maître de conférences - LIRMM, UMR5506 CNRS / université Montpellier 2, Montpellier, France
INTRODUCTION
Les robots marins (sous l'eau, mais aussi sur l'eau) sont en plein essor. À l'aube du développement des flottilles de véhicules, ils ont acquis désormais une certaine maturité industrielle et scientifique. Leur usage est largement répandu, principalement pour des applications pétrolières off-shore, pour les applications militaires (surveillance, déminage, etc.) et pour les applications scientifiques (océanographie, climatologie, etc.). Nous proposons dans cet article un tour d'horizon des véhicules existants (USV, AUV, ROV, glider, robot voilier, robot bio-inspiré, profileur, etc.) ainsi qu'un descriptif détaillé des matériels associés à leur fonctionnement, et qui permettent la localisation, la perception et la communication. Pour chaque catégorie de matériel, les principes de fonctionnement sont rappelés et les données techniques indispensables sont résumées, afin de permettre au lecteur de sélectionner correctement les matériels adaptés à son application, en tenant compte des caractéristiques techniques et des conditions d'utilisation.
Cet état de l'art technologique est accompagné dans une deuxième partie des outils scientifiques permettant de contrôler les véhicules marins : la modélisation et la commande. Le modèle présenté est celui défini par la SNAME (Society of Naval Architects and Marine Engineers) qui est largement utilisé par la communauté. À partir de ce modèle, nous avons sélectionné trois commandes, dont nous rappelons le fonctionnement et les points clés du réglage. Il s'agit de la commande PID, de la commande adaptative à retour d'état non linéaire et de la commande en régime glissant. Des exemples illustrent leur utilisation, et leurs avantages et inconvénients sont expliqués. Enfin, l'article se termine par une comparaison expérimentale des trois commandes présentées, appliquées à l'asservissement en profondeur d'un mini ROV. Cela permet de comparer les commandes et d'en souligner les limites.
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- Version courante de mars 2024 par Vincent CREUZE
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4. Commande des véhicules
Dans les paragraphes précédents, nous avons établi un modèle à 6 degrés de liberté pour le véhicule marin. Dans de nombreuses applications, par exemple lorsque l'on souhaite commander un navire de surface, il n'est pas nécessaire que les 6 degrés de liberté du véhicule soient contraints. On a alors recours à un modèle simplifié dans lequel, par exemple, le roulis ou la profondeur ne sont pas commandés. Les équations sont alors simplifiées et certains termes peuvent être linéarisés. Dans ce qui suit, nous traiterons du cas général à 6 degrés de liberté à partir duquel il aisé de déduire le modèle minimal selon le nombre de degrés de liberté nécessaires à l'application.
4.1 Introduction
Les véhicules marins sont des systèmes non linéaires pour lesquels plusieurs paramètres du modèle sont peu connus ou inconnus a priori (termes de la matrice d'amortissement, masses ajoutées, etc.) et sont susceptibles de varier au cours d'une mission (flottabilité lorsque la salinité varie, emport ou largage d'échantillons, etc.).
De plus, certains effets ne peuvent être intégrés correctement au modèle (effet de l'ombilical, effets d'écoulements tourbillonnaires, etc.). Enfin, le véhicule est soumis à des perturbations fréquentes (vagues, chocs, etc.). Ces termes mal connus et ces perturbations ont un effet plus ou moins important sur le véhicule en fonction de leur influence relative. Sur les petits véhicules marins (robots voiliers, mini-ROV, mini-AUV) les approches de commande traditionnellement utilisées sur les véhicules à forte inertie ne suffisent pas à garantir des performances acceptables, c'est-à-dire, principalement, un retour rapide à la stabilité en cas de perturbation (par exemple un choc) et un fonctionnement peu sensible aux variations des paramètres du système (par exemple une variation de la charge embarquée, des caractéristiques d'un moteur, etc.). Il est alors nécessaire de mettre en œuvre des commandes robustes capables de s'adapter à la variabilité et à l'incomplétude du modèle, mais aussi aptes à rejeter correctement les perturbations.
Dans cette partie nous présenterons tout d'abord la commande PID (proportionnelle intégrale dérivée), très utilisée sur les véhicules marins commerciaux et qui permet d’obtenir simplement d'assez...
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BIBLIOGRAPHIE
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(2) - BRIERE (Y.) - IBOAT, An autonomous robot for long-term offshore operation - Electrotechnical Conference, MELECON 2008, the 14th IEEE Mediterranean Electrotechnical Conference, pages 323-329 (2008).
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(3) - BOYER (F.), GOSSIAUX (P.-B.), JAWAD (B.), LEBASTARD (V.), POREZ (M.) - Model for a sensor inspired by electric fish - IEEE Transactions on Robotics, Vol. 52, 2, pp. 492-505 (2012).
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(4) - BOYER (F.), LEBASTARD (V.) - Exploration of Objects by an Underwater Robot with Electric Sense - Living Machines, 50-61. Biomimetic and Biohybrid Systems, Springer Berlin Heidelberg, Lecture Notes in Computer Science, v : 7375 (2012).
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(5) - BOYER (F.), LEBASTARD (V.), CHEVALLEREAU (C.), SERVAGENT (N.) - Underwater reflex navigation in confined environment based on electric sense - IEEE Transactions on Robotics, Vol. 29 (4), pp. 945-956 (2013).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Salon/conférence : SeaTech Week – Cet évènement se tient tous les deux ans (années paires), à l’automne, à Brest (France). Il rassemble plusieurs séminaires et workshops scientifiques et technologiques, ainsi qu’une exposition importante de matériels dédiés à l’industrie marine et sous-marine.
Salon/conférences : Oceanology International – Cet événement se tient tous les deux ans à Londres (Royaume-Uni).
http://www.oceanologyinternational.com
Conférence : OCEANS IEEE/MTS Conference – Organisée par l’IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) et la MTS (Marine Technology Society), cette conférence internationale se tient deux fois par an. Elle rassemble des présentations scientifiques et une importante exposition de matériels. La sélection des présentations est faite sur résumé.
http://www.oceansconference.org/
Compétition/conférence : WRSC / IRSC (World Robotic Sailing Championship and International Robotic Sailing Conference) – Championnat du monde de robots voiliers et conférence internationale sur les robots voiliers (événement...
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