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Article

1 - VÉHICULES DE SURFACE AUTONOMES (ASV)

2 - ARCHITECTURE DES VOILIERS AUTONOMES

3 - MODÉLISATION DES VOILIERS

4 - COMMANDE DES VOILIERS

5 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : S7815 v1

Architecture des voiliers autonomes
Les voiliers robotisés

Auteur(s) : Fréderic PLUMET, Yves BRIERE, Fabrice LE BARS

Date de publication : 10 févr. 2018

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RÉSUMÉ

Cet article a pour but de présenter les robots voiliers autonomes à travers une description de leurs spécificités, fonctionnement,
architecture et modélisation physique, ainsi que leurs algorithmes de commande, dans l’objectif d’aider à la conception,
simulation et réalisation de ce type de système automatisé.

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ABSTRACT

Autonomous sailboats

This paper will present autonomous sailboats through a description of their physical specificities, functioning, architecture
and model as well as their control algorithms, with the aim of helping to the conception, simulation and building of this type
of automated system.

Auteur(s)

  • Fréderic PLUMET : Maître de conférences, Sorbonne Universités, UPMC Univ Paris 06, ISIR, CNRS UMR 7222, Paris, France

  • Yves BRIERE : Enseignant-chercheur à l’Institut supérieur de l’aéronautique et de l’espace (ISAE-SUPAERO), Toulouse, France

  • Fabrice LE BARS : Enseignant-chercheur à l’ENSTA Bretagne, département STIC/groupe thématique robotique, Lab-STICC/CID/PRASYS, Brest, France

INTRODUCTION

Les enjeux environnementaux rendent particulièrement visibles les applications liées à l’observation des océans et de l’atmosphère, l’une des problématiques importantes étant la compréhension des interactions fines entre la mer et l’atmosphère. Parmi les nombreux moyens de mesure utilisés par les scientifiques, les voiliers autonomes sont en plein essor. L’utilisation du vent comme moyen de propulsion permet en effet d’envisager des missions de très longue durée et sur de très grandes distances. Comparativement aux moyens de mesure traditionnels (navires, bouées fixes, etc.) les voiliers autonomes peuvent aussi avoir l’avantage de combiner une grande agilité et reconfigurabilité avec une conception low cost. Enfin, si les voiliers autonomes ont été initialement conçus pour l’observation océanographique comme une amélioration des bouées dérivantes passives, ils peuvent aussi offrir des opportunités et être associés à des services innovants. Ils sont par exemple particulièrement indiqués pour les opérations de surveillance d’une zone, les applications de relais de communication entre navires ou bien entre segment sous-marin et segment aérien, etc.

La première section de cet article présentera de manière générale les voiliers autonomes à travers leurs applications possibles et des exemples de robots existants. Ensuite, plus de détails sur les spécificités de fonctionnement d’un robot voilier et les éléments le constituant seront fournis. La troisième section proposera une modélisation cinématique et dynamique, qui pourra notamment aider au dimensionnement et à la simulation de prototypes, et la dernière section sera consacrée à la commande d’un robot voilier autonome.

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KEYWORDS

Robotics   |   Modeling   |   Control   |   Sailboats

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-s7815


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2. Architecture des voiliers autonomes

2.1 Fonctionnement d’un voilier

« La mer, compliquée du vent, est un composé de forces. Un navire est un composé de machines. Les forces sont des machines infinies, les machines sont des forces limitées. C’est entre ces deux organismes, l’un inépuisable, l’autre intelligent, que s’engage ce combat qu’on appelle la navigation », Victor Hugo, Les travailleurs de la Mer.

Pour comprendre comment fonctionne un voilier, on peut distinguer deux cas selon le fait que le vent « pousse » le voilier ou non. Dans le premier cas (figure 11, cas A et B), le plus facile à comprendre, le vent vient de l’arrière du bateau et celui-ci est « poussé ». Si le vent ne vient pas exactement de l’arrière (cas B) il peut se diriger avec son gouvernail et éviter de déraper grâce à son plan antidérive. On parle d’« allure portante ». Dans le second cas (figure 11, cas C) le vent est contraire et la capacité du voilier à remonter s’explique par l’écoulement du vent sur la voile. Celle-ci se comporte en effet comme une aile d’avion : la force totale aérodynamique comporte une composante dans l’axe du vent (la traînée) mais aussi une composante orthogonale (la portance) (figure 12 a). Cette force totale aérodynamique peut aussi être décomposée en une composante longitudinale (dans l’axe du bateau) et une composante latérale (figure 12 b). On voit ainsi qu’il est possible dans une certaine mesure de conserver une force d’avancement dans l’axe du bateau.

À partir d’un certain angle d’allure (angle minimal de remontée au vent) la composante longitudinale s’annule : il n’est plus possible d’avancer. Si l’objectif à atteindre est dans l’axe du vent, le marin n’aura d’autre solution pour y parvenir que de louvoyer : effectuer une succession de segments de trajectoire le rapprochant du but. À chaque changement de direction, le voilier devra avoir suffisamment d’inertie pour passer d’un côté du vent à l’autre en franchissant cette zone où le vent n’a plus d’effet propulsif. Cette manœuvre s’appelle le « virement de bord ». Cette capacité de la voile à créer une force...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - SMITH (B.) -   Skamp – roboat boat with rigid sails patrols ocean beat.  -  Popular Science 196(5), pages 70-72 (1970).

  • (2) - NEAL (M.) -   A hardware proof of concept of a sailing robot for ocean observation.  -  IEEE Journal of Oceanic Engineering, 31(2) : 462-469 (2006).

  • (3) - BRIÈRE (Y.) -   IBOAT : An autonomous robot for longterm offshore operation.  -  In MELECON 2008 – The 14th IEEE Mediterranean Electrotechnical Conference, pages 323-329, May 2008.

  • (4) - ABRIL (J.), SALOM (J.), CALVO (O.) -   Fuzzy control of a sailboat.  -  International Journal of Approximate Reasoning, 16(3-4) : 359-375 (1997).

  • (5) - BRIERE (Y.), BASTIANELLI (F.), GAGNEUL (M.), CORMERAIS (P.) -   Challenge Microtransat.  -  J3eA, 5 : 001 (2006).

  • (6) -    -  Site...

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