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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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3. Modélisation des véhicules
3.1 Cinématique
Il existe diverses représentations des véhicules marins. Nous ne présenterons ici que la plus commune, celle définie en 1950 par la SNAME (Society of Naval Architects and Marine Engineers). Pour connaître tous les détails sur cette représentation, le lecteur se reportera à .
HAUT DE PAGE
Il existe deux repères (figure 21) :
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Le repère fixe, attaché à la Terre (Earth Fixed Frame). La position de l’origine O du repère ainsi que l’orientation des axes x et y peuvent varier car il existe plusieurs conventions : ECI (Earth-Centered Inertial frame), ECEF (Earth-Centered Earth-Fixed frame) ou encore NED (North East Down). Dans ce qui suit, nous utiliserons la convention NED, selon laquelle Ox est orienté vers le Nord, et Oy vers l’Est. L’axe Oz de ce repère est orienté vers le bas (perpendiculairement à la surface de la Terre). L’origine O du repère est placée en surface, en un point fixe dans la zone dans laquelle évolue le véhicule. On notera Rn ce repère (l'indice n signifiant NED). On considèrera que la zone de navigation est localement plane et que le repère Rn est un repère galiléen. La coordonnée z représente directement la profondeur d’immersion du véhicule.
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Le repère mobile attaché au véhicule et noté Rb (l'indice b signifiant Body fixed frame). Le centre O de ce repère est placé soit au centre de gravité du véhicule, soit en son centre de volume. Les axes Ox, Oy et Oz sont alignés avec les principaux axes de symétrie de la coque. L’axe Ox (longitudinal) pointe vers l’avant du véhicule,...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - JAULIN (L.), LE BARS (F.) - An interval approach for stability analysis, Application to sailboat robotics, IEEE Transaction on Robotics - Volume 27, Issue 5 (2012).
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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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