Conception et réalisation d'un système efficace de communication et de coordination au sein d'une flotille de drones aquatiques de surface

Design and Implementation of an Effective Communication and Coordination System for Unmanned Surface Vehicles (USV)

• Auteur / Autrice : Yoann Hervagault
• Direction : Laurent Lefèvre, Darine Kaddour, Ionela Prodan, Pierre Lemaître-Auger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique et productique
• Date : Soutenance le 17/09/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de conception et d'intégration des systèmes (Valence ; 1996-....)
• Jury : Président / Présidente : Eric Duviella
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yvan Duroc
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Tchanguiz Razban-Haghighi, Christophe Louembet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Drones

Calcul des variations

Commande, Théorie de la

Radiofréquences

Mots clés libres

Radiofréquences

Antenne plastronique

Systèmes dynamiques complexes interconnectés

Planification de trajectoire

Commandes décentralisées et distribuées

Réseau de capteurs/actionneurs mobiles

Radiofrequency

Antenna

Interconnected dynamical systems

Motion planning

Centralized/decentralized control

Moving sensors/actuators networks

Résumé

The work described herein concerns the development of a communication strategy for a fleet of USVs (Unmanned Surface Vehicles). This project's aim is to improve the performances of the SPYBOAT system, developed by the French company CT2MC to perform environmental monitoring missions in fresh waters. In order to successfully fulfill their task, autonomous surface vehicles must be able to maintain a reliable communication link. This thesis's goal is twofold and complementary:- propose the design of an antenna dedicated to the particular conditions of an USV environment and contained in the vessel's hull,- take into account the effective radio ranges and the limited onboard computing resources to develop an admissible deployment strategy.First, the system under study is identified through experiments performed in the Bourget Lake. The differential flatness property of the model is also proved for further use in the computation of reference trajectories.Subsequently, the characteristics of the USV are described from a radio-frequency point of view. The environmental conditions involved by the water proximity, the low heights of the antennas and the high density of conductive materials in unmanned systems are very challenging. The selected antenna configuration is a planar antenna array, composed of three elementary semi-circular monopoles. Low-height measurements over the ground in open space, in good agreement with simulations, have proven that the proposed antenna and the currently used wire antennas exhibit good electrical performances. Antennas simulations have shown that the radiation pattern loses its omnidirectional property when placed in the vessel's hull due to the reflexions on the embedded equipment, and multiple antennas are required to maintain a reliable communication link.Finally, an algorithm able to compute a feasible reference trajectory for a fleet of USVs is proposed. The flatness-based optimization algorithm takes into account communication constraints to ensure that none of the agents in the network becomes isolated. The optimization problem is solved offline to reduce the computation task of the embedded controller. Then, the trajectory tracking algorithm is implemented online via an LQR (Linear Quadratic Regulator) controller which has been simulated and successfully experimented under various scenarios over the real platforms of CT2MC. The experimental tests show that the pre-established communication constraints are preserved while minimizing the tracking error.

Les travaux présentés dans cette thèse visent à améliorer les performances du système SPYBOAT, une gamme de drones aquatiques de surface développés par l'entreprise CT2MC et destinés à la réalisation de missions de surveillance environementale en eau douce. Afin de pouvoir mener à bien leurs missions, le maintien de la communication radio avec ces équipements est primordial à la fois pour pouvoir envoyer de nouvelles instructions aux agents, et pour évaluer l'état d'avancement de la mission. Les objectifs de cette thèse sont donc complémentaires:- concevoir une antenne dédiée à un véhicule autonome de surface et contenue dans sa coque,- développer une stratégie de déploiement qui prend en compte la portée radio et les ressources de calcul limitées.Dans un premier temps, les paramètres dynamiques d'un des modèles SPYBOAT ont été identifiés au cours d'une campagne de mesures réalisée sur le Lac du Bourget (73). Le modèle dynamique est ensuite approfondi afin de mettre en évidence sa platitude qui sera utilisée lors de la génération des trajectoires de référence.Ensuite, les conditions particulières d'un point de vue radio-fréquence sont abordées telles que la proximité de l'eau, les faibles hauteurs et le voisinage d'éléments conducteurs. La topologie choisie consiste en un réseau d'antennes constitué de 3 monopoles semi-circulaires. Les performances de cette antenne ont été évaluées par simulation et confirmées par le biais de mesures effectuées sur des prototypes. Les résultats montrent que ces antennes offrent des performances comparables aux dipoles filaires classiquement utilisés dans ce domaine.Enfin, nous proposons un algorithme de génération d'une trajectoire de référence pour une flotte de drones exploitant la platitude des systèmes à contrôler. Les contraintes de portée induites par l'utilisation de l'antenne sont prises en compte afin de garantir le contact radio avec chaque agent. Cette étape d'optimisation est réalisée en amont de la mission afin de minimiser la tâche alouée au contrôleur, qui consiste en une commande LQR (Linear Quadratic Regulator) à gain variable. Cette stratégie de commande a été simulée et testée avec succès sur un système réel.