Pilotage automatique des bateaux volants : algorithmes dynamiques et multicritères

An autopilot for flying sailboats : dynamic and multi-criteria algorithms

• Auteur / Autrice : Mathilde Tréhin
• Direction : Johann Laurent, Jean-Philippe Diguet, Hugo Kerhascoët
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 22/10/2020
• Etablissement(s) : Lorient
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire en sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance - Laboratoire des sciences et techniques de l'information- de la communication et de la connaissance / Lab-STICC
• Jury : Président / Présidente : Michelle Sibilla
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hugo Kerhascoët, Benoît Clément, Patrick Bot
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Lionel Lapierre, Jean-Yves Fourniols

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bateaux à voiles

Hydroptères

Économies d'énergie

Actionneurs

Mots clés libres

Contrôle-Commande

Optimisation multicritère

Système embarqué

Nautisme

Pilote automatique

Control system

Nautical sports

Multi-criteria optimization

Embedded system

Résumé

Ces dernières années, les voiliers de course ont rapidement évolué. L’arrivée des foils les a transformés en « engins volants » mais les faire voler est un challenge. Lors des dernières éditions de la Coupe de l’America, un membre de l’équipe était spécifiquement dédié au contrôle des foils. En solitaire, les skippers ne peuvent se consacrer constamment à cette tâche. Ils doivent s’occuper du réglage des voiles ou du routage pour ne citer que cela. La solution pour maintenir le vol du bateau est d’automatiser ce contrôle. À travers ces travaux, nous proposons un contrôleur de vol pour voilier. Il est composé d’une boucle de stabilisation et d’une boucle de gestion d’attitude et de hauteur de vol. Les actionneurs utilisés sont les volets situés sur les safrans. Ceux-ci permettent de modifier l’attitude du bateau en limitant les efforts (facilement instrumentable, peu énergivore). Pour utiliser ce système en continu, le voilier a besoin d’une source d’énergie fiable mais les ressources sont limitées à bord. Les bateaux disposent de producteurs dits verts (panneau solaire, éolienne, etc.) mais ils ne peuvent subvenir au besoin que sous certaines conditions météo. Ils ont aussi une réserve de gazole pour recharger les batteries mais ils essaient d’en réduire le volume pour alléger le bateau et ainsi augmenter sa vitesse. Le pilote de vol devra pourtant utiliser plusieurs actionneurs pour contrôler les appendices, ce qui signifie une forte augmentation des besoins en énergie. Tenir compte de ce critère dans la synthèse des lois de contrôle et optimiser son usage devient un paramètre incontournable. Nous proposons donc également dans cette étude une nouvelle méthode de contrôle des actionneurs qui optimise la consommation. Enfin, pour tester ces algorithmes, des outils d’analyse de la performance de contrôle et l’instrumentation d’une plateforme de test sont présentés. Cette plateforme a permis de confronter les résultats de simulation à des expérimentations en situation réelle.

Over the years, the sailboats designed for ocean races have strongly evolved. Thanks to the arrival of the hydrofoils, they became “flying machines”. However, keep these machines flying is a constant challenge. In fact, as observed in the previous America’s Cup, a team member is totally dedicated to the hydrofoil control. But skippers, in solo offshore races, can’t spend all their time adjusting the hydrofoil settings since they must focus on sail trim, refine tactical elements and so on. A solution to maintain the flight is to automate the hydrofoil control. In this study, we detail the design of a flight controller for sailboat. It consists of a stabilization loop and a control loop to manage the flight level. The main actuators for this control system are the flaps of the rudders. In fact, they significantly modify the boat’s attitude with limited efforts (easily deployed and controlled, low energy consumer). To enable a quasi-permanent use of the control system, the sailboat needs a reliable energy supply during the whole race. However, energy resources are limited on board. They have few renewable energy producers (solar panel, wind turbine, etc.), but they can meet the boat needs only under specific weather conditions. Sailboats have a limited quantity of fuel which can recharge a battery set. But, they try to gain in performance by minimizing the weight which means reducing the fuel volume. Soon, the flight’s autopilot will need to manage more actuators to control these appendages. It is going to increase energy requirements. So, taking into account this criterion in the control laws and optimize its use is becoming mandatory. Thus, we propose a new control method aware of the power consumption to manage the actuators. Finally, to test these algorithms, some tools to analyze control performance are proposed and the instrumentation of a test platform is detailed. This platform enables to confront the control laws with real navigation conditions