Contribution à la commande de voiliers robotisés Miguel Angel ROMERO RAMIREZ Institut des...

Contribution la commande de voiliers robotiss Miguel Angel ROMERO RAMIREZ Institut des Systmes Intelligents et Robotique

Cadre applicatif Collecte de donnes des masses ocaniques Collecte de donnes des masses ocaniques Cartographie de zone dhabitats marins Cartographie de zone dhabitats marins Mesure de paramtres physico- chimiques Mesure de paramtres physico- chimiques 2

Cadre applicatif Intrt des voiliers robotiss : chantillonnage spatial contrl chantillonnage spatial contrl Disponibilit Disponibilit Autonomie nergtique Autonomie nergtique 3

Projet ASAROME Autonomous Sailing Robot for Oceanographic Measurements Financ par lANR 4 Plateforme (mini-j) Simulateur numrique Perception Navigation et commande

Particularit Pas de contrle direct de la force de propulsion Pas de contrle direct de la force de propulsion une direction o la force de propulsion est nulle une direction o la force de propulsion est nulle 5

Particularit Deux entres de commande disponibles : 6 Angle de bme, qui modifie la force de propulsion Angle de safran, qui fait changer le cap du bateau

Objectif 7 Dtermination dun cap afin : datteindre un ou plusieurs points de passage de faon autonome de sadapter aux conditions du vent dviter les obstacles

Plan 8 Simulateur Voilier Navigation Commande Description du simulateur Description du simulateur Outils de simulation (IG) Outils de simulation (IG) Exploitation du simulateur. Exploitation du simulateur. ConclusionPerspectives Simulateur Architecture L/M (ASAROME) Architecture L/M (ASAROME) Architecture L/M (RC) Architecture L/M (RC) Voilier Slection dangle de voile Slection dangle de voile Asservissement du cap Asservissement du cap Commande Projection de la vitesse Projection de la vitesse Floue Floue Champs de potentiel artificiel Champs de potentiel artificiel Navigation et vitement des obstacles Simulation Simulation Exprimentaux Exprimentaux Rsultats

9 Description du simulateur Description du simulateur Outils de simulation (IG) Outils de simulation (IG) Exploitation du simulateur Exploitation du simulateurSimulateur Simulateur Simulateur Voilier Commande Navigation Rsultats Conclusion Perspectives

Simulateur Exact par rapport la dynamique des corps solides en mouvement + Dtermination des efforts hyrdro-arodynamiques grce aux modles empiriques 10 Modlecinmatique Modlearodynamique Modlehydrodynamique Equations de mouvement RK tat t Position Orientation Vitesses Acclrations Vent Ang. safran Ang. safran Ang. voile Ang. voile

Simulateur Interface aise avec des outils de simulation, tel que Matlab, des interfaces graphiques utilisateurs, etc. 11 Simulateur numrique cod en Fortran prend la forme dune librairie dynamique (DLL : Dynamic Link Library) sous Windows

Interface graphique 12

Interface graphique Boucle ouverte : Boucle ouverte : lutilisateur assigne directement les valeurs des angles de voile et safran Boucle ferme : Boucle ferme : lutilisateur spcifie un (ou plusieurs) point(s) de passage Grce cette interface graphique il est possible de piloter le voilier selon deux modes : 13 WP IG Algo. Nav. consignes Simulateur. Algo cmd. Etat

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

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

16 Test sous conditions similaires celles dfinies par l ITTC Exploitation du simulateur Comportement en virage

17 Rponse au changement dangle de safran Approximation de la fonction de transfert en cap Exploitation du simulateur Rponse indicielle

18 Architecture L/M (ASAROME) Architecture L/M (ASAROME) Architecture L/M (RC) Architecture L/M (RC)Voilier Voilier Simulateur Voilier Commande Navigation Rsultats Conclusion Perspectives

Architecture (mini j) Matrielle 19 CaractristiqueUnitsValeur Dplacementkg223,30 Longueurm3,70 Surface de voilem2m2 3,30

Architecture (mini j) Logicielle 20

Architecture (mini j) Matrielle 21

Architecture (RC) 22 CaractristiqueUnitsValeur Dplacementkg18 Longueurm1,40 Surface de voilem2m2 0,70

Architecture (RC) Logicielle 23 Compatible avec le voilier ASAROME Modulaire : facilit pour intgrer autres algorithmes de commande / autres fonctionnalits Cod en C / C++

Architecture (RC) Matrielle 24

Architecture (RC) 25 Bas sur une coque commerciale de la marque Robe Modification pour intgrer llectronique embarque et maintenir son tanchit Conception et fabrication des pices ncessaires pour ladaptation du voilier, par exemple : Girouette / anmomtre Codeur de la bme. Pice dadaptation de la quille.

Architecture (RC) Matrielle 26 Interface avec lordinateur embarqu Interface pour la tlcommande Contrleur des servomoteurs Acquisition du vent Activation des comportements durgence Carte bas niveau : Arduino Nano

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

28 Commande Slection dangle de voile Slection dangle de voile Asservissement du cap Asservissement du cap Commande Simulateur Voilier Commande Navigation Rsultats Conclusion Perspectives

Commande Slection dangle de voile 29 Rglage de voile en fonction de langle de vent apparent (Y. Brire, TAROS 2007)

Commande 30 Ne sont pas formellement dcouples mais : Langle de safran modifie principalement le cap Langle de voile modifie principalement la vitesse davance Hypothse de dcouplage des deux entres de commande

Commande 31 Asservissement de cap : Influence des gains du rgulateur PD Asservissement de cap

Bilan 32 Besoins SimulateurVoiliersCommandeNavigation PilotageMoyens

33 Projection de la vitesse Projection de la vitesse Floue Floue Champs de potentiel Champs de potentiel Navigation et vitement des obstacles Navigation Simulateur Voilier Commande Navigation Rsultats Conclusion Perspectives

Navigation No-go zones 34 Principes 1.propulsion non nulle 2. rejoindre lobjectif 3.viter les obstacles

Mthode de projection de la vitesse 35

Navigation Mthode de projection de la vitesse 36

Navigation 37 Introduction dun facteur dhystrsis privilgier cap Introduction dun facteur dhystrsis privilgier cap courant pour rduire : courant pour rduire : Perte de vitesse Perte de vitesse Utilisation des voiles et safran Utilisation des voiles et safran (consommation dnergie) (consommation dnergie) Lhystrsis ( w) Actual heading VMG | w = 1 VMG | w < 1 Influence du facteur dhystrsis sur la navigation.

Navigation Mthode de projection de la vitesse 38 Pour guider le navire vers son objectif Base sur la minimisation de fonctions de cot Avec VMG normalise et w le facteur dhystrsis

Navigation 39 Mthode de projection de la vitesse Evitement dobstacles If d obs < d0 If d obs > d0

Navigation Mthode de projection de la vitesse 40 Dtermination dun cap consigne

Mthode dinfrence floue 41

Navigation 42 Mthode floue Premier ensemble flou maximise la vitesse vers lobjectif WWW

Navigation 43 Mthode floue Deuxime ensemble floue loigne le bateau des obstacles If d obs < d0 WWW

Navigation Mthode floue 44 Dtermination dun cap consigne

Angle qui maximise la surface de sortie du systme dinfrence floue Navigation 45 Mthode floue

Mthode des champs de potentiels 46

Navigation 47 Mthode des champs de potentiels Notre mthode considre deux champs de potentiel : Le premier, local et attach au bateau, li la direction du vent et le cap courant Le deuxime, global, li au waypoint et aux obstacles

Navigation 48 Potentiel local Le champ de potentiel local rsulte de la somme de quatre potentiels rpulsifs :

Navigation 49 Potentiel local Le champ de potentiel local rsulte de la somme de quatre potentiels rpulsifs : Ps

Navigation 50 Potentiel local Le champ de potentiel local rsulte de la somme de quatre potentiels rpulsifs : Si 0 up ailleurs Si 0 down ailleurs Pup Pdown

Navigation 51 Potentiel d hystrsis Le champ de potentiel local rsulte de la somme de quatre potentiels rpulsifs : Si 0 up down ailleurs Ph

Navigation 52 Potentiel global Le champ de potentiel global est calcul classiquement : Attirer le voilier vers lobjectif et lloigner des obstacles

Navigation 53 Potentiel total Le potentiel total Pt est calcul par laddition de chacun des potentiels local et global Dtermination du cap consigne descente de gradient

54 Simulation Simulation Exprimentation ExprimentationRsultats Rsultats Simulateur Voilier Commande Navigation Rsultats Conclusion Perspectives

Rsultats 55 Conditions de simulation

Rsultats 56 Conditions de simulation TWA = 90 TWS = 10 nd

Rsultats 57 Les 3 algorithmes permettent de piloter le voilier vers son objectif quelque soit la direction du vent floue P.V. C.P. Vent constat

Rsultats 58 Les 3 algorithmes permettent de piloter le voilier vers son objectif quelque soit la direction du vent floue P.V. C.P. Vent rel

Rsultats 59 Les 3 algorithmes sont robustes par rapport la forme de la polaire : il est possible dutiliser une polaire raliste ou bien idale Polaire idale CP Polaire raliste Polaire idale CP Polaire raliste

Rsultats 60 Les 3 algorithmes permettent dviter les obstacles quelque soit la direction du vent C.P.

Courbe polaire Conclusion 61 Projection de la vitesse Mthode floue Champs de potentiel Amplement utilise par les skippers humains Amplement utilise par les skippers humains Moins ractif que la mthode des champs de potentiel Moins ractif que la mthode des champs de potentiel Trajectoires moins ractives sloignent du chemin plus court Trajectoires moins ractives sloignent du chemin plus court Sensible aux rayons dinfluence des obstacles Sensible aux rayons dinfluence des obstacles Plusieurs paramtres rgler Plusieurs paramtres rgler Permet de reprsenter les tches et contraintes (obstacles) de faon unifi Permet de reprsenter les tches et contraintes (obstacles) de faon unifi Facilit dutilisation (par rapport aux autres mthodes) Facilit dutilisation (par rapport aux autres mthodes)

Rsultats exprimentaux (Mthode des champs de potentiel) 62 Voilier bas sur le modle RC Test sur le lac de Crteil

Rsultats exprimentaux 63 Test suivi de cap

Rsultats exprimentaux 64 Vent dominant

Rsultats exprimentaux 65 Vent dominant

66 Conclusion Conclusion Simulateur Voilier Commande Navigation Rsultats Conclusion Perspectives

Conclusion 67 Vent Obstacles Wp 3 mthodes de slection de cap

Conclusion La mthode de champs de potentiel prsente la grand avantage dunifier la reprsentation des contraintes de la navigation voile et les tches raliser 68

Conclusion 69 Validation exprimentale

Perspectives 70 Amlioration de la commande des mouvements pour optimiser : Les manuvres de changement de bord La manuvrabilit La prise de vitesse

Perspectives 71 Lextension des mthodes de navigation : Suivi de route Introduction de la notion de temps de dplacement

Perspectives 72 Le dveloppement dun planificateur de haut-niveau : Compromis objectif/consommation nergtique Mise en scurit Capacit de fonctionner en modes dgrads

73 Merci de votre attention

76 Autres Slides Perspectives Simulateur Voilier Commande Navigation Rsultats Conclusion Perspectives

Gnralits du simulateur Utilit des connaissances acquises: 77 Pondration de la polaire de vitesse par la polaire de gte

Navigation 78 Limitation de la gte

Navigation 79 Limitation de la gte TWA(t=0s): 290; TWA(t=50s): 45; TWA(t=100s): 290

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