Coordinated motion control of multiple underactuated autonomous underwater vehicles

par Xianbo Xiang

Thèse de doctorat en Génie informatique, automatique et traitement du signal

Sous la direction de Bruno Jouvencel et de Lionel Lapierre.

Le président du jury était René Zapata.

Le jury était composé de Bruno Jouvencel, Marco Bibulli.

Les rapporteurs étaient Massimo Caccia, Luc Jaulin.

  • Titre traduit

    Contrôle coordonné de flottille de véhicules sous-marins sous-actionnés autonomes (AUVs)


  • Résumé

    Cette thèse traite de la question du contrôle du mouvement d'engins non-holonomes et sous-actionnés évoluant de manière coordonnée et autonome. Les différentes approches considérées sont le suivi de trajectoire (Trajectory Tracking TT) et le suivi de chemin (path following PF). Une nouvelle méthode de contrôle est proposée. Dénommée Path-Tracking (PT), elle permet de cumuler les avantages de chacune des deux précédentes méthodes, permettant de cumuler la souplesse de la convergence induite par le suivi de chemin avec le respect des contraintes temporelles du suivi de trajectoire. L'étude et la réalisation de la commande démarre avec l'étude du cas du robot nonholonome de type Unicycle' et se base sur les principes de Lyapunov' et de Backstepping'. Ces premiers résultats sont ensuite étendus au cas d'un véhicule sous-marin sous-actionné de type AUV (Autonomous Underwater Vehicle'), en analysant les similarités cinématiques entre ces deux types de véhicules. De plus, il est montré la nécessité de prendre en compte les propriétés dynamiques du système de type AUV, et la condition de Stern dominancy' est établie de façon à garantir que le problème est bien posé et ainsi que la commande soit aisément calculable. Dans la cas d'un système marin sur-actionné, qui peut ainsi effectuer des tâches de navigation au long cours et de positionnement désiré (Station keeping'), une commande hybride est proposée. Enfin, la question du contrôle coordonné d'une formation d'engins marin est abordée. Les colutions de commande pour les taches de suivi de chemin coordonné (coordinated path following') et de coordinated path tracking' sont proposées. Les principes du leader-follower' et la méthode des structures virtuelles sont ainsi traitées dans un cadre de contrôle centralisé, et le cas décentralisé est traité en utilisant certains principes de théorie des graphes.


  • Résumé

    In this dissertation, the problems of motion control of underactuated autonomous vehicles are addressed,namely trajectory tracking (TT), path following (PF), and novelly proposed path tracking whichblending the PF and TT together in order to achieve smooth spatial convergence and tight temporalperformance as well.The control design is firstly started from the benchmark case of nonholonomic unicycle-type vehicles,where the Lyapunov-based design and backstepping technique are employed, and then it is extendedto the underactuated AUVs based on the similarity between the control inputs of two kinds of vehicles.Moreover, dealing with acceleration of side-slip angle is highlighted and stern-dominant property of AUVsis standing out in order to achieve well-posed control computation. Transitions of motion control fromunderactuated to fully actuated AUVs are also proposed.Finally, coordinated formation control of multiple autonomous vehicles are addressed in two-folds,including coordinated paths following and coordinated paths tracking, based on leader-follower andvirtual structure method respectively under the centralized control framework, and then solved underdecentralized control framework by resorting to algebraic graph theory.

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