simulation dynamique des systèmes bateau - avirons - rameur(s)

Simulation dynamique des systmes Bateau - Avirons - Rameur(s)Soutenance de thse de doctorat16 Dcembre 2011cole Centrale de Nantes

Franois Rongre

*Quest-ce que laviron ?Sport nautique mcaniquePropulsion humaine par ramesDiffrentes classes de bateauxRapport L/B trs grand (20 30)De nombreux rglagesOBJECTIF : parcourir 2000m en un temps infrieur aux concurrents PERFORMANCES

*Simulation numriqueDifficults lamlioration de la performance :Sportifs de haut niveau dj proches dun optimum relatifNiveau technique acquis par une grande quantit de prparationSportifs ncessairement conservateurs vis--vis de leurs acquisLe matriel est standardisIntrt de la simulation numrique :tudes paramtriques sur le mouvement, les rglages, le matriel qui seraient irralisables au relAide une meilleure comprhension du fonctionnement global et des interactions internes et externesGnrateur de nouvelles pistes damlioration de la performance

*De nombreux simulateurs existent dj

*Quest-ce que laviron (point de vue modlisation) ?Un systme complexe totalement couplMouvements priodiques, efforts intermitents et instationnairesMouvement priodiqueMouvements priodiques, Instationnaires, en 6 ddlExcitationInteractions mcaniques fortesRameur = Actionneurs, capteurs, rgulateursFlexiblesRetours de sensationsRetours de sensations

*Objectif de la rechercheModliser correctement la dynamique des systmes Bateau-Avirons-Rameur(s)Ncessite de traiter correctement la mcanique

Modlisation de rameurs simplifis, humanodesApproche systmique :Focalisation sur les interactions internes et externesUtilisation de modles simples de forces extrieuresRobotiqueSimulateur GMRS : Global Mechanical Rowing Simulator

*PlanPlateforme de simulation GMRSMulticorps, formalisme robotiquequations de la dynamiqueGnration de mouvementquations de mouvement du bateauExemples de simulation

*Structure modulaire du simulateur GMRS

*Principe gnral de fonctionnementPosition, vitesse du bateau + autre tatsConditions initiales nulles aprs mise en quilibre hydrostatique

*Modles de rameursRameur = structure multicorps complexeUtilisation dun formalisme robotique pour la modlisation de leur structureDiffrence avec un robot industriel :Support flottant en 6 ddl

Biomimtisme: Le robot anguille(Khalil et al. 2007)

*Formalisme robotiqueStructure arborescente boucle quelconqueDescription gomtrique dun robot structure arborescente corps rigides et liaisons cinmatique boucles cinmatiquesLiaisons simples rotodes ou prismatiquesRepre li au corps Corps articul via larticulation indique le corps antcdent de Description des boucles coupures+ 2 repres de fermeture

*Formalisme robotiqueConstruction systmatique des repres locaux des corps Paramtrage de Denavit-Hartenberg modifi(Khalil & Kleinfinger 1986)Passage dun repre de corps un autre : 3 translations 3 rotations

*Modles de rameursModle 2D : utilis pour les dveloppements algorithmiques de GMRS6 corps + bateau7 degres de libert 1 boucleIntrt : toutes les difficults sont prsentes (arborescences, boucle)

Exemples de modles 3D : 3 types de rameurs*Modles de rameurs13 corps physiques + bateau10 corps virtuels6 repres de fermeture = 30 repres locaux26 degrs de libert 3 boucles cinmatiques

*Modles de rameursVue de dtail du bras gauche du rameur de coupleTout le reste des modles de rameurs sont dcrits de manire similaire(jambes, dos, dame de nage)

*Construction dquipagesExploitation de la structure systmatique des tableaux de paramtres D-HmDeux sans (pair-oar)Quatre sans

*Paramtres inertiels segmentairesLa dynamique ncessite de connatre les caractristiques gomtriques et inertielles de chaque corps

Tables anthropomtriques (De-Leva 1996, NASA 1995)Logiciel GEBOD (Generator of BOdy Datas)

Principales difficults : mapping des donnes entre le modle interne GEBOD et les modles de rameursDifficilement automatisable(Cheng et al. 1994)Longueurs segmentaires +

*Modlisation dynamiqueForme gnrale du modle dynamique inverse en base flottante (forme Lagrangienne) :

Rsolution de la dynamique inverse Algorithme de Newton-Euler rcursif (RNEA) en base flottante (Khalil et al. 2007) : 3 rcurrencesRevient formellement des parcours rcursifs sur un graphe arborescent

Inconnu

*Calcul rcursif de : Transformation entre repres Modle gomtrique direct

Vitesses des corps

Composantes dacclration ne dpendant pas de

Torseur deffort extrieur + dinertie ne dpendant pas de RNEA : Rcurrence avant (1)Efforts sur le corps j

*= ensemble de la structure dans la configuration linstant t de la simulationMatrice dinertie compositeTorseur defforts compositeRNEA : Rcurrence arrire (2)InitialisationsCorps compositeCalcul rcursif

*RNEA : rcurrence avant (3)Calcul rcursif de :Acclration des corps :

Torseurs defforts articulaires:

Couples articulaires de la structure arborescente quivalente :

*Vers une intgration de la flexibilit des avironsApproche par lasticit localise (Khalil et Gautier 2000)Modle dynamique hybride

Modification de lalgorithme NE en base flottante pour intgrer la flexibilitLes sont alors des variables dtat supplmentaires du systmeRaideur quivalenteAmortissement structurelInconnuhybride

*Contraintes de la gnration de mouvementDynamique inverse : pilotage du rameur via ses variables articulaires activesMouvement humain lisse : fonctions de classe minimumNcessit de pouvoir modifier le mouvement facilement : vers une optimisation manuelle voire automatique de la techniqueNcessit du respect de la priodicit du mouvementChoix des B-splines pour modliser les mouvements articulaires

*Modeleur de style

*Fermeture de bouclesObjectif : Calculer les positions, vitesses et acclrations articulaires des articulations passives respectant les contraintes de boucle

Formulation analytique des contraintes de boucles impossible tablir dans notre cas complexeRsolution numrique par cinmatique inverse Fermeture de boucle gomtrique par une procdure itrative

*Fermetures de bouclesFermeture gomtrique :Modle diffrentiel dordre 1 : Procdure itrative permettant de minimiser lerreur de fermeture des boucles

Calcul de la matrice jacobienneCalcul de lerreur de fermeture

*Fermetures de bouclesFermeture en vitesses :On exprime lgalit des vitesse des repres de coupure de boucles :Modle cinmatique direct :quation rsoudre :

Fermeture en acclrations :galit des acclrations des repres de coupure de boucleModle cinmatique du second ordre :Rsolution similaire prcdemment mais terme quadratique calculer (par rcurrence)

*Repres dtudeDfinition des repres dtudeTerrestreLi au bateauHydrodynamique

*Approches des quations de mouvement du bateauDeux approches classiques en hydrodynamique navale : manuvrabilit et tenue la mer

Pour laviron : Excitation dorigine interne sur les 6 ddlEfforts de contrle internes (direction)Mouvements sur la surface libre gnralement lentsMouvementsen rponse lexcitation des vaguesquations de mouvement et modles defforts non linairesApproche potentielle linarise du mouvementExpression dans le repre li au bateauExpression dans le repre hydrodynamique

ManuvrabilitTenue la mer

*Unification des approchesNcessit dexprimer les quations de mouvement dans le repre li au bateau comme cest le cas en robotiquePour la manoeuvrabilit cest aussi le cas

Ncessit dunifier les deux approches : Exprimer les quations de mouvement de tenue la mer dans le repre li au bateau par changement de variablesExploiter le cadre linaire pour effectuer des simplifications

*Modles defforts complmentairesDans ce travail, on sintresse particulirement aux mouvements secondaires :Problme de diffraction - radiation classiqueCadre potentiel linaire consistant avec les hypothses prcdentesSimulations dans le domaine temporel

*Forme des forces de radiation dans le domaine temporel (Cummins 1962)

quation issue de lunification de la manuvrabilit et de la tenue la mer (Fossen 2005)Mouvements secondairesDpendance frquentielle des coefficients de masse ajoute et damortissement de vague

terme de perturbation par rapport la position dquilibre (petits mouvements)Approche classique : superposition (cadre linaire)Aviron : contenu spectral de lexcitation non connu lavanceThories potentielles Forces extrieures (systme = bateau)Terme mmoireCalcul du terme mmoire coteux en mmoire et en temps CPU

Objectif : remplacement du calcul direct de la convolution par la rsolution dODEs

Calcul de la rponse impulsionnelle par transforme de Fourier inverse des amortissements de vague*Deux mthodes de remplacement du terme mmoireAquaplus : (Ogilvie 1964)(Prony 1795)(Babarit et al. 2005)Identification dans le domaine temporelIdentification dans le domaine frquentielDeux mthodes de remplacementCoefficients hydrodynamiques64 EDO supplmentairesChoix du nombre dexponentielles dlicat

*Comparaison des deux mthodes

*Modles defforts complmentairesLapproche potentiel linaris ne prend pas en compte les effets de la viscositNcessit dajouter des efforts complmentaires :ITTC57 : rsistance visqueuseCoefficient de formeRsistance de vaguesEfforts non linaires damortissement et de manuvrabilit

Efforts de propulsion sur les palettes daviron :Modles quadratiques par rapport la vitesse normale dcoulement sur la palette

*Exemple 1 : modification de mouvementCas dtude sur le modle de rameur 2DInfluence dune modification de rapport cyclique ?Cadence 27 cpm

*Exemple 1 : modification de mouvementCadence 27 cpm

*Exemple 1 : modification de mouvement

*Exemple 2 : tude paramtriqueCas dtude sur le modle de rameur 3D de coupleVariations relatives de :Levier extrieur des avironsSurface de paletteCadenceAttendu : Une augmentation de levier et de surface doit, vitesse davance fixe, conduire une diminution de la cadenceExiste-t-il un optimum vis--vis de lnergie dveloppe ? Quelle est la sensibilit du simulateur GMRS ?

*Exemple 2 : tude paramtriqueMise au point dun mouvement daviron laide du modeleur de styleVariables activesVariables passives obtenues par fermeture des boucles

*Exemple 2 : tude paramtriqueCadence 18Exemple de visualisation de simulation avec le rameur de couple 3D

*Exemple 2 : tude paramtriqueVue de ct dans laquelle la vitesse davance a t soustraite :Visualisation des mouvements secondairesCadence 18

*Exemple 2 : tude paramtriqueBalayage paramtrique sur le triplet 15 cas

*Exemple 2 : tude paramtriquePuissance moyenne transmise au bateau par le rameur sur un coup daviron :

nergie ncessaire pour parcourir 1m la vitesse :

*CONCLUSIONPermet la simulation dynamique de tout systme de propulsion coupl Bateau-Avirons-Rameur(s)Formalisme robotique et rameurs simplifis humanodesDynamique du bateau en 6 degrs de libertModulaire, volutifDonne actuellement des rsultats ralistesMontre une sensibilit adquate pour des tudes paramtriquesTravail avec les experts sportifsDveloppement dinterfacesEssayer de rpondre des questionnements prcistre force de proposition pour des pistes doptimisationMise en confiance par rapport la pertinence des rsultats :sensibilitExprimentales pour la prcision absolue des simulationssportifsProblme des scientifiquesMesures exprimentalesCalculs numriques (CFD)Priorit aux modles deffort de propulsionModles arodynamiquesRendement du corps humainBiomcaniquePhysiologieModles musculosquelettiquesPrise en compte des rtroactions de sensationsCouplages GMRS/CFD CONCLUSION

Merci de votre attention

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