Robots sous-marins pour l’exploration karstique et marine : une étude des AUVs redondants

Underwater robots for karst and marine exploration : A study ofredundant AUVs

• Auteur / Autrice : Huu tho Dang
• Direction : Lionel Lapierre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : SYAM - Systèmes Automatiques et Micro-Électroniques
• Date : Soutenance le 26/05/2021
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique, de robotique et de micro-électronique (Montpellier ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : René Zapata
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lionel Lapierre, René Zapata, Luc Jaulin, Vincent Hugel, Antonio Pascoal, Massimo Caccia, Olivier Parodi, Benoît Ropars
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Luc Jaulin, Vincent Hugel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Karst

Aquifères karstiques

Robotique

Mots clés libres

Robotique

Controle

Environnement confine

Exploration Karstique

Robotic

Control

Confined environment

Karstic Exploration

Résumé

De nos jours, les environnements aquatiques, considérant l’océan et les systèmes karstiques noyés sont le lieu d’enjeux sociétaux majeurs, depuis la question des ressources (alimentaires et en eau) jusqu’à la compréhension des phénomènes physiques qu’ils hébergent. La difficulté d’accès à ces environnements fait du robot sous-marin un outil d’exploration efficace.Les propriétés d’actionnement de ces systèmes robotisés spécifient leur capacité dynamique et les rendent adaptés à certains types de mission. Ils peuvent être sous-actionnés, iso-actionnés ou redondants. Cela dépend du nombre d’actionneurs et du nombre de Degrés de Liberté contrôlables.Cette propriété de l’actionnement conditionne la stratégie de commande du système, engendre une certaine complexité au système mais comporte aussi des avantages : robustesse, tolérance aux pannes, pilotage de la réactivité et optimisation de la consommation énergétique globale. De plus, un système à géométrie d’actionnement variable permet de couvrir l’ensemble de ces propriétés, rendant le système versatile et configurable en fonction des contraintes environnementales et de mission.A l’instar des applications civiles et militaires, ce type de système présente des avantages majeurs pour la question de l’exploration karstique. En effet la variabilité des conditions environnementales de ce milieu confiné requiert une adaptabilité du système d’actionnement et un pilotage fin de sa réactivité.L’exploitation des propriétés de redondance du système d’actionnement, qu’il soit statique ou dynamiquement reconfigurable, est le sujet de cette thèse. En particulier, une méthode est proposée pour déterminer la configuration statique d’un robot (position et direction des propulseurs) afin d’optimiser les indices de performance : manipulabilité, atteignabilité, énergie, réactivité et robustesse. Une solution basée sur l’optimisation multi-objectifs est proposée. Cette approche est validée en simulation et expérimentalement sur 2 types de robots : le robot ‘Cube’ (configuration redondante statique) et le robot ‘Umbrella’ (redondant à géométrie variable)Une approche localement optimale, en ce qui concerne un critère de type énergie, permet une adaptation dynamique de la configuration d’actionnement. Une solution de répartition des actions individuelle des moteurs est aussi proposée.Les performances des solutions proposées sont illustrées en détail en silmulation et une validation expérimentale a été effectuéeKeywords : robot sous-marin, matrice de configuration, optimisation.

Nowadays, underwater environments including ocean and karst system with their biodiversity are needed to discover and underwater vehicles are means to do that. An underwater vehicle can normally be able to classify into an under-actuated system, a fully-actuated system, or an over-actuated one, also called redundant system. This depends on the number of actuators and the number of controllable DoFs. This property decides other relating problems such as controller design, kinds of missions, building cost. Although a redundant system has drawbacks, i.e., high building cost, not easy to control, it also has a lot of merits : a good choice for fault-tolerance control, be more flexible in operations. Moreover, with redundancy, it is obvious to vary configuration in order to inherit advantages of each kind of configurations. For application speaking, underwater vehicles have a wide range of employment from civil to military such as seabed investigation, biological discovery, marine rescue, and coast monitoring. Among of them, karst exploration is a potential domain and needs to study more because of the diversity of interior ecological systems and vital role in supplying and maintaining sweet water resource, especially in European countries.Motivated by redundant feature and karst exploration, this work focuses on redundant systems in underwater robot field for exploring karst networks. Underwater vehicles with static configuration and reconfigurable one were studied. In particular, a method was proposed to determine the static configuration of a robot (position and direction of thrusters) in order to optimize performance indices : manipulability, workspace, energy, reactive, and robustness indices. An optimal solution based on multiobjective optimization was found. Simulation and experimental results were shown to prove the proposed approach. Considering advantages of a dynamically reconfigurable robot, a prototype robot, called Umbrella Robot, was built. A locally optimal approach with respect to energy-like criterion with dynamic configuration was suggested. In the meanwhile, control allocation methods for this kind of systems were investigated. Simulation results for two cases, simple guidance in which desired control vector is given and complex one in which desired control vector is able to vary in each time step, were illustrated. Our simulation and experiments validated the proposed method.