Hybrid cable thruster-actuated underwater vehicle manipulator system : modeling, analysis and control

par Gamal Elghazaly

Thèse de doctorat en Systèmes automatiques et micro-électroniques

Sous la direction de François Pierrot.

Soutenue le 12-06-2017

à Montpellier , dans le cadre de École Doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015) , en partenariat avec Laboratoire d'Informatique de Robotique et de Microélectronique de Montpellier / LIRMM (laboratoire) .

Le président du jury était Vincent Hugel.

Le jury était composé de François Pierrot, Vincent Hugel, Luc Jaulin, Stéphane Caro, Marc Gouttefarde, Vincent Creuze.

Les rapporteurs étaient Luc Jaulin, Stéphane Caro.

  • Titre traduit

    Modélisation, étude et commande d'un robot sous-marin à câbles


  • Résumé

    L’industrie offshore, pétrolière et gazière est le principal utilisateur des robots sous-marins, plus particulièrement de véhicules télé-opérés (ou ROV, Remotely Operated Vehicle). L'inspection, la construction et la maintenance de diverses installations sous-marines font parties des applications habituelles des ROVs dans l’industrie offshore. La capacité à maintenir un positionnement stable du véhicule ainsi qu’à soulever et déplacer des charges lourdes est essentielle pour certaines de ces applications. Les capacités de levage des ROVs sont cependant limitées par la puissance de leur propulsion. Dans ce contexte, cette thèse présente un nouveau concept d’actionnement hybride constitué de câbles et de propulseurs. Le concept vise à exploiter les fortes capacités de levage des câbles, actionnés par exemple depuis des navires de surfaces, afin de compléter l’actionnement d’un robot sous-marin. Plusieurs problèmes sont soulevés par la nature hybride (câbles et propulseurs) de ce système d'actionnement. En particulier, nous étudions l’effet de l'actionnement supplémentaire des câbles par rapport à un actionnement exploitant uniquement des propulseurs et nous tâchons de minimiser les efforts exercés par ces derniers. Ces deux objectifs sont les principales contributions de cette thèse. Dans un premier temps, nous modélisons la cinématique et la dynamique d'un robot sous-marin actionné à la fois par des propulseurs et des câbles et équipé d'un bras manipulateur. Un tel système possède une redondance cinématique et d'actionnement.. L'étude théorique sur l'influence de l'actionnement supplémentaire par câbles est appuyée par une étude en simulation, comparant les capacités de force d'un système hybride (câbles et propulseurs) à celles d'un système actionné uniquement par des propulseurs. L'évaluation des capacités est basée sur la détermination de l'ensemble des forces disponibles, en considérant les limites des forces d'actionnement. Une nouvelle méthode de calcul est proposée, pour déterminer l'ensemble des forces disponibles. Cette méthode est basée sur le calcul de la projection orthogonale de polytopes et son coût calculatoire est analysé et comparé à celui d'une méthode de l’état de l’art. Nous proposons également une nouvelle méthode pour le calcul de la distribution des forces d'actionnement, permettant d'affecter une priorité supérieure au sous-système d'actionnement par câbles afin de minimiser les efforts exercés par les propulseurs. Plusieurs cas d'études sont proposés pour appuyer les méthodes proposées.


  • Résumé

    The offshore industry for oil and gas applications is the main user of underwater robots, particularly, remotely operated vehicles (ROVs). Inspection, construction and maintenance of different subsea structures are among the applications of ROVs in this industry. The capability to keep a steady positioning as well as to lift and deploy heavy payloads are both essential for most of these applications. However, these capabilities are often limited by the available on-board vehicle propulsion power. In this context, this thesis introduces the novel concept of Hybrid Cable-Thruster (HCT)-actuated Underwater Vehicle-Manipulator Systems (UVMS) which aims to leverage the heavy payload lifting capabilities of cables as a supplementary actuation for ROVs. These cables are attached to the vehicle in a setting similar to Cable-Driven Parallel Robots (CDPR). Several issues are raised by the hybrid vehicle actuation system of thrusters and cables. The thesis aims at studying the impact of the supplementary cable actuation on the capabilities of the system. The thesis also investigate how to minimize the forces exerted by thrusters. These two objectives are the main contributions of the thesis. Kinematic, actuation and dynamic modeling of HCT-actuated UVMSs are first presented. The system is characterized not only by kinematic redundancy with respect to its end-effector, but also by actuation redundancy of the vehicle. Evaluation of forces capabilities with these redundancies is not straightforward and a method is presented to deal with such an issue. The impact of the supplementary cable actuation is validated through a comparative study to evaluate the force capabilities of an HCT-actuated UVMS with respect to its conventional UVMS counterpart. Evaluation of these capabilities is based on the determination of the available forces, taking into account the limits on actuation forces. A new method is proposed to determine the available force set. This method is based on the orthogonal projection of polytopes. Moreover, its computational cost is analyzed and compared with a standard method. Finally, a novel force resolution methodology is introduced. It assigns a higher priority to the cable actuation subsystem, so that the forces exerted by thrusters are minimized. Case studies are presented to illustrate the methodologies presented in this thesis.

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