Modélisation et commande d'une torpille pour la navigation autonome

Modeling and control of a torpedo for the autonomous navigation

• Auteur / Autrice : Cyrille Vuilmet
• Direction : Didier Leandri
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science. Génie informatique, Automatique et Traitement du Signal
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Toulon
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université du Sud Toulon-Var. UFR de Sciences et Techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Navires -- Hydrodynamique

Commande en mode glissant

Électronique en navigation

Torpilles (explosifs militaires)

Véhicules sous-marins

Résumé

Ce travail de thèse traite de la modélisation cinématique et dynamique des véhicules sous-marins, plus particulièrement de la torpille, et de la conception d'un ensemble de lois de commande permettant la navigation autonome. Après la détermination d'un modèle dynamique théorique, et suite à l'identification des coefficients hydrodynamiques réalisée par le Bassin d'Essais des Carènes, nous obtenons un modèle fiable et exploitable en simulation, si bien qu'un simulateur spécifique est élaboré. Nous apportons ensuite une solution à la navigation autonome, en proposant une stratégie de navigation par modes de pilotage, et une stratégie de commande par découplage de la navigation, où la vitesse d'avance, la bande et les dynamiques relatives au plan de navigation horizontal et vertical sont découplées. Sur cette base, les différents modes de pilotages sont synthétisés à l'aide des techniques de commandes glissantes du premier et du second ordre, réputées robustes faces aux perturbations et méconnaissances paramétriques et structurelles du modèle. Une commande glissante du premier ordre synthétisée à partir d'un système linéarisé est proposée, mais génère une réticence sur les gouvernes (vibrations hautes fréquences). Nous proposons, afin de réduire ce phénomène de réticence, de synthétiser une commande glissante du second ordre, cette fois à partir du modèle non linéaire du véhicule, et pour l'ensemble des modes de pilotage. Une mission simplifiée, utilisant l'ensemble des modes de pilotages, est simulée et souligne la robustesse de ce type de commande en présence d'un courant marin, de variations paramétriques du modèle hydrodynamique et en présence de bruits de mesure.

This thesis deals with the kinematic and dynamic modeling of underwater vehicles, in particular of the torpedo, and of the elaboration of a set of control laws for the autonomous navigation. After the determination of a theoretical dynamic model, and thanks to the hydrodynamic coefficients identification performed by the Bassin d'Essais des Carenes, we obtain a reliable model that is exploitable in simulation, so a specific simulator is elaborated. Then we find a solution to the autonomous navigation, suggesting a navigation strategy with piloting modes, and a control strategy based on the navigation decoupling, where the longitudinal velocity, the roll angle, and the horizontal and vertical dynamics are decoupled. From this base, the different piloting modes are designed with the sliding mode control techniques, which are reputed to be robust against the perturbations, and the parametric and structural uncertainties of the model. A first order sliding mode control is designed from a linear model but generates a chattering on the rudders (high frequency vibration). So we suggest limiting the chattering to design a second order sliding mode control from the nonlinear model of the vehicle, and for all piloting modes. A simplified torpedo mission, using all piloting modes is simulated, and emphasizes the robustness of this control law in presence of marine current, parametric variations of the hydrodynamic model and noise measurement.