Contribution à la commande de voiliers robotisés

1. Contribution à la commande de voiliers robotisés Miguel Angel ROMERO RAMIREZ Institut des Systèmes Intelligents et Robotique

2. Cadre applicatif • Collecte de données des masses océaniques • Cartographie de zone d’habitats marins • Mesure de paramètres physico-chimiques

3. Cadre applicatif Intérêt des voiliers robotisés : • Échantillonnage spatial contrôlé • Disponibilité • Autonomie énergétique

4. Projet ASAROME Autonomous Sailing Robot for Oceanographic Measurements Financé par l’ANR Perception Navigation et commande Plateforme (mini-j) Simulateur numérique

5. Particularité • Pas de contrôle direct de la force de propulsion • Ǝ une direction où la force de propulsion est nulle

6. Particularité • Angle de bôme, qui modifie la force de propulsion • Angle de safran, qui fait changer le cap du bateau Deux entrées de commande disponibles :

7. Objectif • Détermination d’un cap afin : • d’atteindre un ou plusieurs points de passage de façon autonome • de s’adapter aux conditions du vent • d’éviter les obstacles

8. Plan • Description du simulateur • Outils de simulation (IG) • Exploitation du simulateur. Navigation Commande Simulateur Simulateur • Simulation • Expérimentaux Résultats Voilier • Architecture L/M (ASAROME) • Architecture L/M (RC) Voilier Conclusion Perspectives • Sélection d’angle de voile • Asservissement du cap Commande • Projection de la vitesse • Floue • Champs de potentiel artificiel Navigation et évitement des obstacles

9. Simulateur Voilier Commande Navigation Résultats Conclusion Perspectives • Description du simulateur • Outils de simulation (IG) • Exploitation du simulateur Simulateur

10. Simulateur Exact par rapport à la dynamique des corps solides en mouvement + Détermination des efforts hyrdro-aérodynamiques grâce aux modèles empiriques Modèle cinématique Vent Étatt Modèle aérodynamique • Position • Orientation • Vitesses • Accélérations RK Equations de mouvement Modèle hydrodynamique Ang. safran Ang. voile

11. Simulateur Simulateur numérique codé en Fortran prend la forme d’une librairie dynamique (DLL : Dynamic Link Library) sous Windows • Interface aisée avec des outils de simulation, tel que Matlab, des interfaces graphiques utilisateurs, etc.

12. Interface graphique

13. Interface graphique Grâce à cette interface graphique il est possible de piloter le voilier selon deux modes : • Boucle ouverte : l’utilisateur assigne directement les valeurs des angles de voile et safran • Boucle fermée : l’utilisateur spécifie un (ou plusieurs) point(s) de passage IG Etat consignes Algo. Nav. Algo cmd. WP Simulateur.

14. Exploitation du simulateur Polaires de vitesse Enveloppe Convexe Vitesses du vent Polaire de vitesse (Pour une vitesse de vent fixé.) Polaires de vitesse Polaire de bôme

15. Exploitation du simulateur Polaires de vitesse No-go zone down wind No-go zone up wind

16. Exploitation du simulateur Comportement en virage Test sous conditions similaires à celles définies par l’ ITTC

17. Exploitation du simulateur Réponse indicielle Réponse au changement d’angle de safran  Approximation de la fonction de transfert en cap

18. SimulateurVoilier Commande Navigation Résultats Conclusion Perspectives • Architecture L/M (ASAROME) • Architecture L/M (RC) Voilier

19. Architecture (mini – j) Matérielle

20. Architecture (mini – j) Logicielle

21. Architecture (mini – j) Matérielle

22. Architecture (RC)

23. Architecture (RC) Logicielle • Compatible avec le voilier ASAROME • Modulaire : facilité pour intégrer autres algorithmes de commande / autres fonctionnalités • Codé en C / C++

24. Architecture (RC) Matérielle

25. Architecture (RC) • Basé sur une coque commerciale de la marque Robe • Modification pour intégrer l’électronique embarquée et • maintenir son étanchéité • Conception et fabrication des pièces nécessaires pour • l’adaptation du voilier, par exemple : • Girouette / anémomètre • Codeur de la bôme. • Pièce d’adaptation de la quille.

26. Architecture (RC) Matérielle Carte bas niveau : Arduino Nano • Interface avec l’ordinateur embarqué • Interface pour la télécommande • Contrôleur des servomoteurs • Acquisition du vent • Activation des comportements • d’urgence

27. Architecture (RC) Matérielle Ordinateur Navigation : PC-104 + Linux • Implantation des algorithmes de navigation • Interface USB avec : • Carte Arduino • Mti – G (Centrale inertielle + GPS) • Possibilité de connexion WiFi

28. Simulateur Voilier Commande Navigation Résultats Conclusion Perspectives • Sélection d’angle de voile • Asservissement du cap Commande

29. Commande Sélection d’angle de voile Réglage de voile en fonction de l’angle de vent apparent(Y. Brière, TAROS 2007)

30. Commande • Hypothèse de découplage des deux entrées de commande • Ne sont pas formellement découplées mais : • L’angle de safran modifie principalement le cap • L’angle de voile modifie principalement la vitesse d’avance

31. Commande Asservissement de cap Asservissement de cap : Influence des gains du régulateur PD

32. Bilan Besoins Moyens Pilotage Simulateur Voiliers Commande Navigation

33. Simulateur Voilier Commande Navigation Résultats Conclusion Perspectives • Projection de la vitesse • Floue • Champs de potentiel Navigation et évitement des obstacles

34. Navigation No-go zones • Principes • propulsion non nulle • rejoindre l’objectif • éviter les obstacles

35. Méthode de projection de la vitesse

36. Navigation Méthode de projection de la vitesse

37. Navigation L’hystérésis (hw) • Introduction d’un facteur d’hystérésis  privilégier cap • courant pour réduire : • Perte de vitesse • Utilisation des voiles et safran • (consommation d’énergie) Actual heading Influence du facteur d’hystérésis sur la navigation. VMG | hw = 1 VMG | hw < 1

38. Navigation Méthode de projection de la vitesse Basée sur la minimisation de fonctions de coût • Pour guider le navire vers son objectif Avec VMG normalisée et hw le facteur d’hystérésis

39. Navigation Méthode de projection de la vitesse Evitement d’obstacles If dobs< d0 If dobs> d0

40. Navigation Méthode de projection de la vitesse Détermination d’un cap consigne

41. Méthode d’inférence floue

42. Navigation Méthode floue Premier ensemble flou  maximise la vitesse vers l’objectif W W W

43. Navigation Méthode floue Deuxième ensemble floue  éloigne le bateau des obstacles If dobs< d0 W W W

44. Navigation Méthode floue Détermination d’un cap consigne

45. Navigation Méthode floue • Détermination d’un cap consigne • Angle qui maximise la surface de sortie du système d’inférence floue

46. Méthode des champs de potentiels

47. Navigation Méthode des champs de potentiels • Notre méthode considère deux champs de potentiel : • Le premier, local et attaché au bateau, lié à la direction du vent et le cap courant • Le deuxième, global, lié au waypoint et aux obstacles

48. Navigation Potentiel local Le champ de potentiel local résulte de la somme de quatre potentiels répulsifs :

49. Navigation Potentiel local Le champ de potentiel local résulte de la somme de quatre potentiels répulsifs : Ps

50. Navigation Potentiel local Le champ de potentiel local résulte de la somme de quatre potentiels répulsifs : Si 0<|f|<fup ailleurs Pup Pdown Si 0<|f|<fdown ailleurs