Commande des voiliers
Les voiliers robotisés

1 - Véhicules de surface autonomes (ASV)

• 1.1 - Applications des voiliers autonomes
• 1.2 - Panorama des voiliers autonomes
  Figure 1 - SKAMP, un prototype de RCA Electronic Division en 1970, destiné à servir de station de mesure [1] Figure 2 - AROO (1,5 m, 10 kg), concept de voilier autonome de l’université d’Aberystwyth [2] Figure 3 - Iboat I (2 m, 30 kg), premier voilier autonome de l’ISAE [3] Figure 4 - Iboat III (1,5 m, 40 kg), ISAE-SUPAERO 2015 Figure 5 - FASt (2,5 m), voilier autonome océanographique de l’université de Porto [8] Figure 6 - ASAROME (3,5 m, 225 kg), Robosoft, École centrale de Nantes, ISIR-CNRS [10] Figure 7 - VAIMOS (3,65 m, 300 kg), développé par l’ENSTA Bretagne et l’IFREMER à Brest [9] Figure 8 - Saildrone (6 m, 550 kg), développé par Saildrone Inc. testé en mer de Bering en 2015 et sur plusieurs missions de longue durée [14] Figure 9 - Sailbuoy (2 m, 60 kg) développé par Offshore Sensing AS testé sur plusieurs missions de longue durée [15] Figure 10 - Le véhicule reconfigurable (surface et sous-marin) Submaran (4m, 127 kg) de Ocean Aero [16]

2 - Architecture des voiliers autonomes

• 2.1 - Fonctionnement d’un voilier
  Figure 11 - Définition des « allures » d’un voilier. Le voilier A est « vent arrière », les voiliers A et B sont au « portant ». Le voilier C est au « près ». Le voilier D est trop proche du vent, il ne peut pas naviguer, on dit qu’il est « vent debout » Figure 12 - Décompositions de la force aérodynamique
• 2.2 - Les éléments d’un voilier
  Figure 13 - Polaire de performance d’une voile rigide obtenue pour un vent de 12 m/s. Le couple traînée-portance …
• 2.3 - Les systèmes embarqués
• 2.4 - L’énergie

3 - Modélisation des voiliers

• 3.1 - Cinématique
  Figure 14 - Convention de repères utilisée
• 3.2 - Dynamique
  Figure 15 - Repères et paramètres géométriques du voilier. Les indices r, k et s concernent respectivement le safran (rudder en anglais), la quille (keel) et la voile (sail) Figure 16 - Coefficients de traînée et de portance en fonction de l’incidence du vent sur la voile pour différentes forces de vent (voile d’allongement relativement faible (12 %, AR = 4) Figure 17 - Coefficients de portance et de traînée d’une aile NACA0018 en fonction de l’angle d’attaque … Figure 18 - Efforts hydrostatiques : flottabilité et couple de redressement Figure 19 - Évolution des efforts longitudinaux Rf et Rrh en fonction de la vitesse Figure 20 - Forces sur chaque sous-système Figure 21 - Exemple de courbes polaires de vitesse d’un voilier
• 3.3 - Dynamique simplifiée en 4 DDL

4 - Commande des voiliers

• 4.1 - Structuration des lois de commande
  Figure 22 - Architecture de contrôle hiérarchisé pour la commande des déplacements de voiliers autonomes
• 4.2 - Planification globale
  Figure 23 - Distribution gaussienne autour de la moyenne GEFS à partir de l’écart-type mesuré sur les prévisions GEFS [25] Figure 24 - Méthode des isochrones Figure 25 - Exemple de points de passage déterminés par l’algorithme de planification pour une navigation dans le bassin méditerranéen Tableau 1
• 4.3 - Planification locale
  Figure 26 - Zones de navigation possibles pour un voilier Figure 27 - Dérive du voilier entre deux points de passage Figure 28 - Forme du champ de vecteurs pour un suivi de ligne Figure 29 - Partie d’un trajet Brest-Douarnenez du voilier autonome Vaimos (en vert : trace GPS du voilier passant d’un mode à l’autre, en rouge : lignes reliant les points de passage)
• 4.4 - Commande bas niveau
  Figure 30 - Étapes de la boucle de régulation d’un voilier Figure 31 - Rappel des notations utiles pour la commande Figure 32 - Cercle trigonométrique décrivant les différentes situations à considérer pour la régulation en cap Figure 33 - Angle de voile optimal … Figure 34 - L’algorithme de Maximum Speed Tracking construit récursivement et en temps réel un modèle de performance permettant d’adapter le cap à la vitesse optimale ([29]). Chaque segment de droite correspond à un modèle de performance local

5 - Conclusion