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Contribution à la commande de voiliers robotisés
Miguel Angel ROMERO RAMIREZ
Institut des Systèmes Intelligents et Robotique
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2 Cadre applicatif
• Collecte de données des masses océaniques
• Cartographie de zone d’habitats marins
• Mesure de paramètres physico-chimiques
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3 Cadre applicatif
Intérêt des voiliers robotisés :
• Échantillonnage spatial contrôlé
• Disponibilité
• Autonomie énergétique
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4 Projet ASAROME
Autonomous Sailing Robot for Oceanographic Measurements
Financé par l’ANR
Plateforme (mini-j)Simulateur numériquePerceptionNavigation et commande
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5 Particularité
• Pas de contrôle direct de la force de propulsion
• Ǝ une direction où la force de propulsion est nulle
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6 Particularité
Deux entrées de commande disponibles :
• Angle de bôme, qui modifie la force de propulsion
• Angle de safran, qui fait changer le cap du bateau
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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
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8 Plan
Simulateur
Voilier
NavigationCommande• Description du simulateur• Outils de simulation (IG)• Exploitation du simulateur.
Conclusion
Perspectives
Simulateur
• Architecture L/M (ASAROME)• Architecture L/M (RC)Voilier
• Sélection d’angle de voile• Asservissement du capCommande
• Projection de la vitesse• Floue• Champs de potentiel artificiel
Navigation etévitement des obstacles
• Simulation• ExpérimentauxRésultats
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9
• Description du simulateur• Outils de simulation (IG)• Exploitation du simulateur
Simulateur
Simulateur Voilier Commande Navigation Résultats Conclusion Perspectives
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10 Simulateur
Exact par rapport à la dynamique des corps solides en mouvement + Détermination des efforts hyrdro-aérodynamiques grâce aux modèles empiriques
Modèle cinématique
Modèle aérodynamique
Modèle hydrodynamique
Equations demouvement RK
Étatt
• Position• Orientation• Vitesses• Accélérations
Vent
Ang. safran Ang. voile
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11 Simulateur
Interface aisée avec des outils de simulation, tel que Matlab, des interfaces graphiques utilisateurs, etc.
Simulateur numérique codé en Fortran prend la forme d’une librairie dynamique (DLL : Dynamic Link Library) sous Windows
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12 Interface graphique
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13 Interface graphique
• 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
Grâce à cette interface graphique il est possible de piloter levoilier selon deux modes :
WP
IGAlgo. Nav. consignes
Simulateur.
Algo cmd. Etat
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14 Exploitation du simulateurPolaires de vitesse
Polaire de bôme
Enveloppe ConvexeVitesses du
vent
Polaire de vitesse(Pour une vitesse de vent fixé.)
Polaires de vitesse
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15 Exploitation du simulateurPolaires de vitesse
No-go zoneup wind
No-go zonedown wind
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16
Test sous conditions similaires à celles définies par l’ ITTC
Exploitation du simulateurComportement en virage
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17
)1( ss TsK
Réponse au changement d’angle de safran Approximation de la fonction de transfert en cap
Exploitation du simulateurRéponse indicielle
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18
• Architecture L/M (ASAROME)• Architecture L/M (RC)
Voilier
Simulateur Voilier Commande Navigation Résultats Conclusion Perspectives
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19 Architecture (mini – j)Matérielle
Caractéristique Unités Valeur
Déplacement kg 223,30
Longueur m 3,70
Surface de voile m2 3,30
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20 Architecture (mini – j)Logicielle
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21 Architecture (mini – j)Matérielle
![Page 22: Contribution à la commande de voiliers robotisés](https://reader035.vdocuments.fr/reader035/viewer/2022062520/568163f2550346895dd57433/html5/thumbnails/22.jpg)
22 Architecture (RC)
Caractéristique Unités Valeur
Déplacement kg 18
Longueur m 1,40
Surface de voile m2 0,70
![Page 23: Contribution à la commande de voiliers robotisés](https://reader035.vdocuments.fr/reader035/viewer/2022062520/568163f2550346895dd57433/html5/thumbnails/23.jpg)
23 Architecture (RC)Logicielle• Compatible avec le voilier ASAROME
• Modulaire : facilité pour intégrer autres algorithmes de commande / autres fonctionnalités
• Codé en C / C++
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24 Architecture (RC)Matérielle
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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.
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26 Architecture (RC)Matérielle
• Interface avec l’ordinateur embarqué • Interface pour la télécommande• Contrôleur des servomoteurs• Acquisition du vent• Activation des comportements d’urgence
Carte bas niveau :Arduino Nano
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27 Architecture (RC)Matérielle
•Implantation des algorithmes de navigation
•Interface USB avec :• Carte Arduino• Mti – G (Centrale inertielle + GPS)
• Possibilité de connexion WiFi
Ordinateur Navigation :PC-104 + Linux
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28
Commande• Sélection d’angle de voile• Asservissement du cap
Simulateur Voilier Commande Navigation Résultats Conclusion Perspectives
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29 CommandeSélection d’angle de voile
Réglage de voile en fonction de l’angle de vent apparent (Y. Brière, TAROS 2007)
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30 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
Hypothèse de découplage des deux entrées de commande
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31 Commande
Asservissement de cap : Influence des gains du régulateur PD
Asservissement de cap
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32 Bilan
Besoins
Simulateur Voiliers Commande Navigation
PilotageMoyens
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33
• Projection de la vitesse• Floue• Champs de potentiel
Navigation etévitement des obstacles
Simulateur Voilier Commande Navigation Résultats Conclusion Perspectives
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34 Navigation
No-go zones
Principes
1. propulsion non nulle
2. rejoindre l’objectif
3. éviter les obstacles
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Méthode de projection de la vitesse
35
![Page 36: Contribution à la commande de voiliers robotisés](https://reader035.vdocuments.fr/reader035/viewer/2022062520/568163f2550346895dd57433/html5/thumbnails/36.jpg)
36 NavigationMéthode de projection de la vitesse
D
DVVMG TP
![Page 37: Contribution à la commande de voiliers robotisés](https://reader035.vdocuments.fr/reader035/viewer/2022062520/568163f2550346895dd57433/html5/thumbnails/37.jpg)
37 Navigation
• Introduction d’un facteur d’hystérésis privilégier cap courant pour réduire :
• Perte de vitesse
• Utilisation des voiles et safran (consommation d’énergie)
L’hystérésis (hw)
1wh
Actual headingVMG | hw = 1VMG | hw < 1Influence du facteur d’hystérésis sur la navigation.
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38 NavigationMéthode de projection de la vitesse
• Pour guider le navire vers son objectif
Basée sur la minimisation de fonctions de coût
)1( VMGC ww h
Avec VMG normalisée et hw le facteur d’hystérésis
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39 NavigationMéthode de projection de la vitesse
Evitement d’obstacles
oC
0
11ddobs
0
If dobs < d0
If dobs > d0
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40 NavigationMéthode de projection de la vitesse
Détermination d’un cap consigne
oowwooww CGVMGGCGCGC )1( h
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Méthode d’inférence floue
41
![Page 42: Contribution à la commande de voiliers robotisés](https://reader035.vdocuments.fr/reader035/viewer/2022062520/568163f2550346895dd57433/html5/thumbnails/42.jpg)
42 NavigationMéthode floue
Premier ensemble flou maximise la vitesse vers l’objectif
W WW
VMGC ww h
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43 NavigationMéthode floueDeuxième ensemble floue éloigne le bateau des obstacles
oC
00
11ddobs
h
If dobs < d0
W WW
![Page 44: Contribution à la commande de voiliers robotisés](https://reader035.vdocuments.fr/reader035/viewer/2022062520/568163f2550346895dd57433/html5/thumbnails/44.jpg)
44 NavigationMéthode floue
Détermination d’un cap consigne
![Page 45: Contribution à la commande de voiliers robotisés](https://reader035.vdocuments.fr/reader035/viewer/2022062520/568163f2550346895dd57433/html5/thumbnails/45.jpg)
45
Détermination d’un cap consigne
Angle qui maximise la surface de sortie du système d’inférence floue
NavigationMéthode floue
![Page 46: Contribution à la commande de voiliers robotisés](https://reader035.vdocuments.fr/reader035/viewer/2022062520/568163f2550346895dd57433/html5/thumbnails/46.jpg)
Méthode des champs de potentiels
46
![Page 47: Contribution à la commande de voiliers robotisés](https://reader035.vdocuments.fr/reader035/viewer/2022062520/568163f2550346895dd57433/html5/thumbnails/47.jpg)
47 NavigationMéthode 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
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48 NavigationPotentiel local
Le champ de potentiel local résulte de la somme de quatre potentiels répulsifs :
hdownupslocal PPPPP
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49 NavigationPotentiel local
Le champ de potentiel local résulte de la somme de quatre potentiels répulsifs :
max
max
VVVGP ss
Ps
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50 NavigationPotentiel local
Le champ de potentiel local résulte de la somme de quatre potentiels répulsifs :
0
),( GPdistGP wupup
0
),( GPdistGP wdowndown
Si 0<|f|< fup
ailleurs
Si 0<|f|< fdown
ailleurs
PupPdown
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51 NavigationPotentiel d’ hystérésis
Le champ de potentiel local résulte de la somme de quatre potentiels répulsifs :
0
),( GPdistGP whh
Si 0<| fup |< p fdown
ailleurs
Ph
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52 NavigationPotentiel global
Le champ de potentiel global est calculé classiquement :
Attirer le voilier vers l’objectif et l’éloigner des obstacles
),( fgg PPdistGP ),( obs
obso PPdist
KP
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53 NavigationPotentiel total
Le potentiel total Pt est calculé par l’addition de chacun des potentiels local et global
hdownupsgt PPPPPPP 0
Détermination du cap consigne descente de gradient
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54
• Simulation• Expérimentation
Résultats
Simulateur Voilier Commande Navigation Résultats Conclusion Perspectives
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55 RésultatsConditions de simulation
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56 RésultatsConditions de simulation
TWA = 90°
TWS = 10 nd
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57 Résultats• Les 3 algorithmes permettent de piloter le voilier vers son objectif quelque soit la direction du vent
floue
P.V.
C.P.
Vent constat
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58 Résultats• Les 3 algorithmes permettent de piloter le voilier vers son objectif quelque soit la direction du vent
floue
P.V.
C.P.
Vent réel
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59 Résultats• Les 3 algorithmes sont robustes par rapport à la forme de la polaire :
il est possible d’utiliser une polaire «réaliste» ou bien «idéale»
Polaire idéale CP Polaire réaliste
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60 Résultats• Les 3 algorithmes permettent d’éviter les obstacles quelque soit la direction du vent
C.P.
![Page 61: Contribution à la commande de voiliers robotisés](https://reader035.vdocuments.fr/reader035/viewer/2022062520/568163f2550346895dd57433/html5/thumbnails/61.jpg)
61Co
urbe
pol
aire
Conclusion
Projection de la vitesse
Méthode floue
Champs de potentiel
• Amplement utilisée par les skippers humains• Moins réactif que la méthode des champs de potentiel
• Trajectoires moins réactivess’éloignent du chemin plus court• Sensible aux rayons d’influence des obstacles• Plusieurs paramètres à régler
• Permet de représenter les tâches et contraintes (obstacles) de façon unifié• Facilité d’utilisation (par rapport aux autres méthodes)
![Page 62: Contribution à la commande de voiliers robotisés](https://reader035.vdocuments.fr/reader035/viewer/2022062520/568163f2550346895dd57433/html5/thumbnails/62.jpg)
Résultats expérimentaux(Méthode des champs de potentiel)
62
Voilier basé sur le modèle RCTest sur le lac de Créteil
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63 Résultats expérimentauxTest suivi de cap
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64 Résultats expérimentaux
Vent
dominan
t
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65 Résultats expérimentaux
Vent
dominan
t
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66
Conclusion
Simulateur Voilier Commande Navigation Résultats Conclusion Perspectives
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67 Conclusion
Vent
Obstacles Wp
3 méthodes de sélection de cap
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68 Conclusion• La méthode de champs de potentiel présente la grand
avantage d’unifier la représentation des contraintes de la navigation à voile et les tâches à réaliser
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69 ConclusionValidation expérimentale
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70 Perspectives
Amélioration de la commande des mouvements pour optimiser :
• Les manœuvres de changement de bord
• La manœuvrabilité
• La prise de vitesse
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71 Perspectives
L’extension des méthodes de navigation :
• Suivi de route
• Introduction de la notion de temps de déplacement
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72 Perspectives
Le développement d’un planificateur de haut-niveau :
• Compromis objectif/consommation énergétique
• Mise en sécurité
• Capacité de fonctionner en modes dégradés
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73
Merci de votre attention
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![Page 75: Contribution à la commande de voiliers robotisés](https://reader035.vdocuments.fr/reader035/viewer/2022062520/568163f2550346895dd57433/html5/thumbnails/75.jpg)
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76
Autres Slides
Simulateur Voilier Commande Navigation Résultats Conclusion Perspectives
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77 Généralités du simulateurUtilité des connaissances acquises:
Pondération de la polaire de vitesse par la polaire de gîte
![Page 78: Contribution à la commande de voiliers robotisés](https://reader035.vdocuments.fr/reader035/viewer/2022062520/568163f2550346895dd57433/html5/thumbnails/78.jpg)
78 NavigationLimitation de la gîte
21
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79 NavigationLimitation de la gîte
TWA(t=0s): 290°; TWA(t=50s): 45°; TWA(t=100s): 290°