Modélisation et commande robuste appliquée à un robot sous-marin

par Rui Yang

Thèse de doctorat en STIC-Automatique

Sous la direction de Ali Mansour et de Huajun Li.

Le président du jury était Luc Jaulin.

Le jury était composé de Ali Mansour, Huajun Li, Luc Jaulin, Lionel Lapierre, Yan Zhuang, Benoît Clément, Philippe Chevrel.

Les rapporteurs étaient Lionel Lapierre, Yan Zhuang.


  • Résumé

    L’utilisation des AUV pour une exploitation durable des ressources océaniques est pertinente. Un robot sous-marin peut être utilisé comme plateforme pour observer, recueillir des informations sur l’environnement marin. Afin d’améliorer la qualité des observations et d’augmenter la capacité de navigation, de nombreuses questions doivent être abordées et examinées simultanément. Nous abordons ici le problème du pilotage de ces robots autonomes.Atteindre la maniabilité nécessaire dépend de deux facteurs clés: un modèle hydrodynamique précis et un système de contrôle performant. Cependant, le coût de développement d’un modèle précis est généralement très élevé. De plus, lorsque la géométrie du robot est complexe, il devient très difficile d’identifier de manière pertinente les paramètres dynamiques et hydrodynamiques. En outre, du point de vue de la commande, les modèles obtenus sont non linéaire, en particuliers pour les amortissements.De nombreux phénomènes dynamiques ne sont pas modélisés: dynamiques internes au robot, environnementales, liées aux bruits des capteurs, aux retards intrinsèques. Dans les concours de robotique sous-marine, il est confirmé que le traditionnel régulateur Proportionnel-Intégral-Dérivé (PID) est peu efficace pour les robots légers. Dans ce cas, notre champ d’application est plus axé sur la combinaison des approches de modélisation numérique et la commande robuste.Dans ce travail, nous proposons un schéma de régulation basé sur la commande robuste et la modélisation. La régulation robuste a été mise en place et validée en mer sur un AUV de la marque CISCREA et la solution proposée utilise Computational Fluid Dynamic (CFD) pour caractériser les deux paramètres hydrodynamiques (matrice de masse ajoutée et matrice d’amortissement). Puis un modèle à quatre degrés de liberté est construit pour le CISCREA. Les résultats numériques et expérimentaux sont alors comparés.La commande robuste proposée est basée sur une compensation non linéaire et de la commande H∞. La validation de la robustesse a été testée par simulation en Matlab et finalement validée par des essais en mer à Brest. La simulation et l’expérience montrent que l’approche en plus d’être robuste est plus rapide que les régulateurs précédemment proposés.

  • Titre traduit

    Modeling and robust control approach for autonomous underwater vehicles


  • Résumé

    Autonomous Underwater Vehicle (AUV) is a relevant technology for the sustainable use of ocean resources. AUV can be used as an important ocean observing platform to collect information on marine environmental characteristics for research and industry fields. In order to improve the observation quality and increase the navigation ability, many issues should be addressed and considered simultaneously. Achieve necessary maneuverability depends on two key factors: an accurate hydrodynamic model and an advanced control system. However, the cost to develop an accurate hydrodynamic model, which shrinks the uncertainty intervals, is usually high. Meanwhile, when the robot geometry is complex, it becomes very difficult to identify its dynamic and hydrodynamic parameters. In addition, according to the quadratic damping factor, underwater vehicle dynamic and hydrodynamic model is nonlinear from the control point of view. Moreover, unmodeled dynamics, parameter variations and environmental disturbances create significant uncertainties among the nominal model and the reality. Sensor noise, signal delay as well as unmeasured states also affect the stability and control performance of the motion control system. In many of our underwater competitions, it has been confirmed that the traditional Proportional-Integral-Derivative (PID) regulation is less efficient for low mass AUV. In this case, our scope is more focused on the combination of numerical modeling approaches and robust control schemes. In this work, we proposed a model based robust motion control scheme. Without loss of generality, a robust heading controller was implemented and validated in the sea on cubic-shaped CISCREA AUV. The proposed solution uses cost efficient Computational Fluid Dynamic (CFD) software to predict the two hydrodynamic key parameters: The added mass matrix and the damping matrix. Four Degree of Freedom (DOF) model is built for CISCREA from CFD calculation. Numerical and experimental results are compared. Besides, the proposed control solution inherited the numerically obtained model from previous CFD calculation. Numerically predicted the actuator force compensates the nonlinear damping behavior result in a linear model with uncertainties. Based on the bounded linear nominal model, we proposed H∞ approach to handle the uncertainties, we used kalman filter to estimate unmeasured states such as angular velocity and we developed smith compensator to compensate the sensor signal delay. The proposed robust heading control application uses only one compass as feedback sensor. This is important while AUV is working at certain depth where only magnetic sensors still work. Our robust control scheme was simulated in Matlab and validated in the sea near Brest. Simulation shows obvious advantage of the proposed robust control approach. Meanwhile, the proposed robust heading control is much faster than PID controller. The robust controller is insensitive to uncertainties and has no overshot. From both simulations and real sea experiments, we found our proposed robust control approach and the one compass heading control applications are efficient for low mass and complex-shaped AUV CISCREA.


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