Mesures robotisées : caractérisation acoustique automatisée des structures

Robotized measurements : automated acoustic characterization of structures

• Auteur / Autrice : Caroline Pascal
• Direction : Olivier Doaré, Alexandre Chapoutot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides et des solides, acoustique
• Date : Soutenance le 28/11/2024
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Établissement opérateur d'inscription : École nationale supérieure de techniques avancées (Palaiseau ; 1970 -....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences de la Mécanique et Applications Industrielles (Palaiseau ; 2015-....) - École nationale supérieure de techniques avancées (Palaiseau). Unité d'Informatique et d'Ingénierie des Systèmes
• Jury : Président / Présidente : Jean-François Deü
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Margerit, Mathieu Grossard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Daney, Kerem Ege

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments-frontières, Méthode des

Émission acoustique

Étalonnage

Son -- Mesure

Manipulateurs (mécanismes)

Mots clés libres

Métrologie robotisée

Etalonnage géométrique

Estimation de champs acoustiques

Méthode des éléments de frontière

Scan 3D

Bras robotique articulé

Robotized metrology

Kinematic calibration

Sound field estimation

Boundary elements method

3D scan

Serial robotic arm

Résumé

Cette thèse a pour but le développement d'un outil de caractérisation acoustique automatisé à l'aide de mesures robotisées. En s'appuyant sur des avancées en robotique, mécanique et mathématiques appliquées, les travaux réalisés traitent de l'utilisation d'un bras robotisé équipé de capteurs pour estimer le champ sonore émis par des structures inconnues. La précision des mesures dépendant de l'exactitude du positionnement du capteur, les écarts entre les modèles nominaux et réels du bras robotisé doivent être compensés. Pour cela, une procédure complète d'étalonnage géométrique est proposée et validée à travers deux études de cas impliquant trois bras robotisés et deux types de capteurs. En particulier, des améliorations significatives de la précision sont obtenues en intégrant des aspects spécifiques à la tâche visée et aux capteurs utilisés. Les fondements théoriques et numériques de l'estimation de champ sonore, qui vise à reconstruire les champs acoustiques rayonnées par une source inconnue à partir d'un ensemble limité de mesures, sont ensuite explorés. Parmi les méthodes examinées, la méthode des éléments de frontières se distingue par son efficacité et sa flexibilité, malgré ses exigences computationnelles. Des simulations numériques permettent la validation des performances de la méthode et l'analyse de sa robustesse en présence de perturbations externes, soulignant l'importance de l'étalonnage du robot pour garantir des résultats fiables. Finalement, afin d'assurer la mise en œuvre expérimentale de notre outil, un ''framework'' reposant sur le middleware ROS est introduit pour gérer des interfaces entre le robot, les capteurs et leur environnement. En amont des mesures acoustiques, un procédé de caractérisation géométrique robotisé permettant de déterminer la forme et la position de l'objet étudié est présenté. Le système de mesures acoustiques robotisées est ensuite décrit, avec une attention particulière portée aux effets du robot sur les mesures réalisées. En se plaçant dans des conditions où ces impacts sont limités, deux campagnes d'acquisition autonomes nous permettent de reconstruire avec précision le champ sonore rayonné par une enceinte inconnue, démontrant ainsi le potentiel de l'outil développé.

This thesis aims at developing a tool for automated acoustic characterization using robotized measurements. Leveraging advancements in robotics, mechanics, and applied mathematics, the work focuses on employing a robotic arm equipped with sensors to estimate the sound field emitted by unknown structures. Since the accuracy of the measurements depends on the precise positioning of the sensor, discrepancies between the nominal and actual models of the robotic arm must be corrected. To address this, a comprehensive geometric calibration procedure is proposed and experimentally validated through two case studies involving three robotic arms and two types of sensors. Notably, significant improvements in accuracy are achieved by incorporating task-specific and sensor-infused features. The theoretical and numerical foundations of Sound Field Estimation (SFE), which aims at reconstructing the acoustic field radiated by an unknown source based on a limited set of measurements, are then explored. Among the reviewed methods, the Boundary Elements Method (BEM) stands out for its efficiency and flexibility despite its computational cost. Numerical simulations allow for the validation of the method's performances and the analysis of its robustness in the presence of external disturbances, highlighting the importance of robot calibration to ensure reliable results. Finally, to support the experimental implementation of our tool, a framework based on the ROS middleware is introduced to manage interfaces between the robot, sensors, and their environment. Prior to acoustic measurements, a robotized geometric characterization process is presented to determine the shape and position of the studied object. The robotized setup developed to automate acoustic measurements is then presented, with particular focus on the effects of the robot on the measurements. Under conditions where these effects are minimized, two autonomous measurement campaigns led to a successful reconstruction of the sound field radiated by an unknown loudspeaker, demonstrating the potential of the proposed tool.