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

Plateforme (mini-j)Simulateur numériquePerception

Navigation et commande

5 Particularité

• Pas de contrôle direct de la force de propulsion

• Ǝ une direction où la force de propulsion est nulle

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

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

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

9

• Description du simulateur• Outils de simulation (IG)• Exploitation du simulateur

Simulateur

Simulateur Voilier Commande Navigation Résultats Conclusion Perspectives

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

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

12 Interface graphique

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

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

15 Exploitation du simulateurPolaires de vitesse

No-go zoneup wind

No-go zonedown wind

16

Test sous conditions similaires à celles définies par l’ ITTC

Exploitation du simulateurComportement en virage

17

)1( ss Ts

K

Réponse au changement d’angle de safran Approximation de la fonction de transfert en cap

Exploitation du simulateurRéponse indicielle

18

• Architecture L/M (ASAROME)• Architecture L/M (RC)

Voilier

Simulateur Voilier Commande Navigation Résultats Conclusion Perspectives

19 Architecture (mini – j)Matérielle

Caractéristique Unités Valeur

Déplacement kg 223,30

Longueur m 3,70

Surface de voile m2 3,30

20 Architecture (mini – j)Logicielle

21 Architecture (mini – j)Matérielle

22 Architecture (RC)

Caractéristique Unités Valeur

Déplacement kg 18

Longueur m 1,40

Surface de voile m2 0,70

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

• 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

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

28

Commande• Sélection d’angle de voile• Asservissement du cap

Simulateur Voilier Commande Navigation Résultats Conclusion Perspectives

29 CommandeSélection d’angle de voile

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

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

31 Commande

Asservissement de cap : Influence des gains du régulateur PD

Asservissement de cap

32 Bilan

Besoins

Simulateur Voiliers Commande Navigation

PilotageMoyens

33

• Projection de la vitesse• Floue• Champs de potentiel

Navigation etévitement des obstacles

Simulateur Voilier Commande Navigation Résultats Conclusion Perspectives

34 Navigation

No-go zones

Principes

1. propulsion non nulle

2. rejoindre l’objectif

3. éviter les obstacles

Méthode de projection de la vitesse

35

36 NavigationMéthode de projection de la vitesse

D

DVVMG TP

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)

1w

Actual headingVMG | hw = 1VMG | hw < 1Influence du facteur d’hystérésis sur la navigation.

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

Avec VMG normalisée et hw le facteur d’hystérésis

39 NavigationMéthode de projection de la vitesse

Evitement d’obstacles

oC

0

11

ddobs

0

If dobs < d0

If dobs > d0

40 NavigationMéthode de projection de la vitesse

Détermination d’un cap consigne

oowwooww CGVMGGCGCGC )1(

Méthode d’inférence floue

41

42 NavigationMéthode floue

Premier ensemble flou maximise la vitesse vers l’objectif

W WW

VMGC ww

43 NavigationMéthode floueDeuxième ensemble floue éloigne le bateau des obstacles

oC

00

11

ddobs

If dobs < d0

W WW

44 NavigationMéthode floue

Détermination d’un cap consigne

45

Détermination d’un cap consigne

Angle qui maximise la surface de sortie du système d’inférence floue

NavigationMéthode floue

Méthode des champs de potentiels

46

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

48 NavigationPotentiel local

Le champ de potentiel local résulte de la somme de quatre potentiels répulsifs :

hdownupslocal PPPPP

49 NavigationPotentiel local

Le champ de potentiel local résulte de la somme de quatre potentiels répulsifs :

max

max

V

VVGP ss

Ps

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

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

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

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

54

• Simulation• Expérimentation

Résultats

Simulateur Voilier Commande Navigation Résultats Conclusion Perspectives

55 RésultatsConditions de simulation

56 RésultatsConditions de simulation

TWA = 90°

TWS = 10 nd

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

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

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

60 Résultats• Les 3 algorithmes permettent d’éviter les obstacles quelque soit la direction du vent

C.P.

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)

Résultats expérimentaux(Méthode des champs de potentiel)

62

Voilier basé sur le modèle RCTest sur le lac de Créteil

63 Résultats expérimentauxTest suivi de cap

64 Résultats expérimentaux

Vent

dominan

t

65 Résultats expérimentaux

Vent

dominan

t

66

Conclusion

Simulateur Voilier Commande Navigation Résultats Conclusion Perspectives

67 Conclusion

Vent

Obstacles Wp

3 méthodes de sélection de cap

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

69 ConclusionValidation expérimentale

70 Perspectives

Amélioration de la commande des mouvements pour optimiser :

• Les manœuvres de changement de bord

• La manœuvrabilité

• La prise de vitesse

71 Perspectives

L’extension des méthodes de navigation :

• Suivi de route

• Introduction de la notion de temps de déplacement

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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Merci de votre attention

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Autres Slides

Simulateur Voilier Commande Navigation Résultats Conclusion Perspectives

77 Généralités du simulateurUtilité des connaissances acquises:

Pondération de la polaire de vitesse par la polaire de gîte

78 NavigationLimitation de la gîte

2

1

lim

limlim ),min(),(

h

hhhVhvws B

79 NavigationLimitation de la gîte

TWA(t=0s): 290°; TWA(t=50s): 45°; TWA(t=100s): 290°