contribution à la commande de voiliers robotisés
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Contribution à la commande de voiliers robotisés. Miguel Angel ROMERO RAMIREZ Institut des Systèmes Intelligents et Robotique. Cadre applicatif. Collecte de données des masses océaniques Cartographie de zone d’habitats marins Mesure de paramètres physico-chimiques. Cadre applicatif. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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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 numériquePerception
Navigation 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 Ts
K
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
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22 Architecture (RC)
Caractéristique Unités Valeur
Déplacement kg 18
Longueur m 1,40
Surface de voile m2 0,70
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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
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36 NavigationMéthode de projection de la vitesse
D
DVVMG TP
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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.
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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
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
11
ddobs
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(
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Méthode d’inférence floue
41
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42 NavigationMéthode floue
Premier ensemble flou maximise la vitesse vers l’objectif
W WW
VMGC ww
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43 NavigationMéthode floueDeuxième ensemble floue éloigne le bateau des obstacles
oC
00
11
ddobs
If dobs < d0
W WW
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44 NavigationMéthode floue
Détermination d’un cap consigne
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45
Détermination d’un cap consigne
Angle qui maximise la surface de sortie du système d’inférence floue
NavigationMéthode floue
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Méthode des champs de potentiels
46
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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
V
VVGP 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.
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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)
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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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Merci de votre attention
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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
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78 NavigationLimitation de la gîte
2
1
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79 NavigationLimitation de la gîte
TWA(t=0s): 290°; TWA(t=50s): 45°; TWA(t=100s): 290°