De la mesure du vent au pilotage automatique d'un voilier : modélisation, optimisation & application du traitement du signal prédictif

From wind measurement to autopilot on sailboats : modelling, optimization & application of predictive signal processing

• Auteur / Autrice : Hugo Kerhascoët
• Direction : Éric Senn, Johann Laurent
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Maths - STIC
• Date : Soutenance le 27/01/2017
• Etablissement(s) : Lorient
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Santé, information-communication et mathématiques, matière (Brest, Finistère)
• Partenaire(s) de recherche : COMUE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences et Techniques de l'Information, de la Communication et de la Connaissance
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Hauville, Christine Chevallereau, Bernard Simon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yannick Le Moullec

Mots clés

Mots clés contrôlés

Kalman, Filtrage de

Pilotes automatiques (navigation)

Courses de bateaux à voiles

Modèles mathématiques

Vents -- Mesure

Mots clés libres

Centrale de navigation

Vent réel

Real wind

Résumé

Cette thèse s'inscrit dans la démarche de l'entreprise nke, visant à améliorer la qualité de la mesure du vent apparent et réel de ses centrales de navigations. Ces améliorations doivent profiter à ses utilisateurs mais également contribuer à la performance du pilote automatique. Dans un premier temps, est décrit le contexte spécifique à la mesure du vent depuis un voilier, et ses problématiques inhérentes. Suite à cette étude, deux types de verrous scientifiques ont été identifiés, à savoir : la mesure du vent sur le bateau par le senseur (lié à son design et à son modèle de réponse) et la chaîne de reconstruction du triangle de vent.Cette thèse propose donc, dans un premier temps, une nouvelle méthodologie pour le design de la girouette permettant de mettre en adéquation le profil du capteur avec les caractéristiques du bateau et son programme de navigation. Les contributions à l’amélioration de ce capteur aérien ont permis, d’une part, de diviser son temps de réponse par deux via l’optimisation de la forme de ses senseurs, et d’autre part, de fournir un signal utile 12 fois plus réactif, en appliquant des techniques de traitement du signal prédictif, intégrant la dynamique du capteur.Les travaux liés aux problématiques de reconstruction du vent réel en trois dimensions sont ensuite détaillés. Tout d'abord en s'intéressant aux normes et définitions des métriques qui lui sont associées, puis, en exposant les solutions permettant de prendre en compte les perturbations qui s'appliquent au vent apparent et réel dans la couche basse de l’atmosphère. Dans un second temps, les méthodes actuelles de reconstruction du vent réel sont étudiées. Cette analyse met en exergue le fait que ces corrections ne s’appliquent pas dans les bons référentiels. Pour pallier à ces problèmes, nous proposons une nouvelle approche de reconstruction du vent réel, mettant en œuvre les méthodes de corrections précédemment décrites.Ce manuscrit se termine par les apports au pilotage automatique. Ceux-ci prennent la forme d'un nouveau concept de "Mode Super", s’appliquant en sur-couche des modes de pilotage classiques. Leur rôle est d'améliorer la sécurité du pilotage pour le mode rafale et la performance pour le mode surf. Ces nouveautés ont été validées par des victoires en course, ont reçu un prix de l'innovation et a fait l'objet d'un dépôt de brevet pour le mode surf. Le pilote étant maintenant capable de barrer comme un humain dans les surfs. La dernière contribution apportée au pilote automatique concerne l'intégration d'un nouveau type de capteur : les penons électroniques.Enfin, le manuscrit contribue à l'appréhension de la globalité des problématiques et subtilités à prendre en compte, lorsque l'on développe ou utilise une centrale de navigation et un pilote automatique.Ces travaux ont mis en avant la forte corrélation entre les différents capteurs et données calculées par la centrale de navigation. Une avancée significative sur la précision de l'ensemble pourra être obtenue lorsque le concept du filtrage prédictif sera étendu et appliqué à la centrale de navigation dans sa globalité.

This thesis is part of NKE Marine’s attempts to improve the quality of apparent and real wind measurementsprovided by its navigation unit. These improvements are expected to benefit both users and improve autopilot performance. The first part describes the specific context of wind measurement on a sailboat, and the inherent issues. This study identified two knotty scientific problems: on-board wind measurements recorded by the sensor (linked to its design and response model) and how the wind triangle is reconstructed. The first objective of this thesis is therefore to propose a new methodology for the design of the wind vane that can match the sensor’s profile with the boat’s characteristics and its route planning. Improvements to this aerial sensor make it possible, on the one hand, to divide the response time by two (via the optimization of the shape of the sensors) and, on the other hand, to provide a useful signal that is twelve times more sensitive (via the application of predictive signal processing techniques that take account of sensor dynamics). Next, previous work on the problem of reconstructing three-dimensional true wind is described in detail. This part begins with a presentation of the relevant standards and definitions of metrics, before examining some solutions that can take account of perturbations in apparent and true wind in the lower layer of the atmosphere. The following part examines current methods for reconstructing true wind. This analysis highlights the fact that these corrections are not applied in the correct frames. To overcome these problems, we propose a new approach to the reconstruction of the true wind, which implements the corrections described above. This manuscript ends with a presentation of the contribution to auto piloting. Specifically, it takes the form of a new concept, termed Super Mode, which can be overlaid onto classical modes of piloting. The aim is to improve safety in gusty conditions (Gust mode), and performance when surfing (Surf mode). The value of this innovation has been proven by competition victories; it has received an innovation award, and Surf mode is the subject of a patent application. The pilot is now able to glide like a human surfer. The final contribution to the autopilot concerns the integration of a new type of sensor: electronic telltales. Finally, this manuscript contributes to our overall understanding of the problems and nuances that must be taken into account when developing or using a navigation unit and an autopilot. The work highlights the close correlation between the various sensors and the data calculated by the navigation unit. Significant improvements to the accuracy of both elements can be obtained when the concept of predictive filtering is extended and appliedto the navigation unit as a whole.