Contribution à la commande robuste non linéaire pour le suivi de trajectoire des robots sous-marins de petite taille : du concept aux expérimentations temps réel

Contribution to nonlinear robust tracking control of small underwater robots : from concept to real-time experiments

• Auteur / Autrice : Auwal Shehu tijjani
• Direction : Vincent Creuze
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : SYAM - Systèmes Automatiques et Micro-Électroniques
• Date : Soutenance le 16/12/2021
• 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 : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Creuze, Benoît Clément, Michael Defoort, Philippe Fraisse, Kouider Nacer M'Sirdi, Ahmed Chemori
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benoît Clément, Michael Defoort

Mots clés

Mots clés contrôlés

Robots sous-marins

Véhicules sous-marins

Mer -- Productivité

Mer

Mots clés libres

Véhicule sous-Marin autonome

Commande

Bras manipulateur

Submersibles

Coordination

Opérations d’Intervention

Autonomous Underwater vehicle

Control

Manipulator arm

Submersibles

Coordination

Intervention operations

Résumé

Les océans et les mers de notre planète recèlent des trésors qui nous sont presque totalement cachés. Outre leur capacité à réguler notre climat changeant, ils abritent environ 90% de la vie sur terre. Les véhicules sous-marins sans pilote (UUV) étendent les actions intelligentes de l'homme à ces environnements inconnus. Cependant, le contrôle de ces véhicules, en particulier les versions à faible coût, pour suivre avec précision une trajectoire temps-variant reste un problème ouvert, en raison des perturbations internes et externes, des incertitudes paramétriques, des dynamiques non modélisées et des environnements opérationnels imprévisibles. En se basant sur ces défis, cette thèse propose de traiter le problème de la commande pour le suivi des UUVs à travers. Dans ce contexte, quatre contributions sont proposées comme suit. Premièrement, une nouvelle commande adaptative+ basée sur la saturation a été proposée en tenant compte de contraintes telles que la limitation matérielle due au faible coût et aux questions d'implémentations inhérentes en lien avec les UUVs considés, en plus des problèmes mentionnés précédemment. L'approche de contrôle proposée, appelée Saturation-based Adaptive Computed Torque+ (SACT+), a été conçue en exploitant (i) les principaux avantages de la structure classique (CT), (ii) de la compensation dynamique, (iii) de la fonction de saturation et (iv) d'une loi d'adaptation. Dans la deuxième contribution, une nouvelle approche saturated super-twisting RISE (Robust Integral of the Sign of the Error), appelé commande S+RISE, a été proposée. Cette nouvelle approche de commande avancée utilise des gains de rétroaction dynamiques saturés au lieu des gains statiques classiques. Les gains dynamiques résultants ont été utilisés pour concevoir les termes robustes de l'approche de commande proposée. Ce qui lui permet d'apprendre le comportement des perturbations temps-variant dans un court lapse de temps. De même, une nouvelle approche de commande adaptative robuste basée-SMC a été proposée. Et l'adaptation pour surmonter les problèmes inhérents aux UUVs et à leur environnement opérationnel pendant les tâches de suivi. Après, notre objectif principal était de concevoir une approche de commande à faible temps de calcul, robuste et sans réticence pour les UUVs à faible coût. Notez que les mesures continues de l’état complet ne sont pas toujours disponibles, en particulier dans le cas des véhicules sous-marins à faible coût. En conséquence, un nouvel observateur à temps continu-discret a été proposé. L'observateur proposé vise à améliorer les performancesde la commande S+RISE précédemment proposée en fournissant des mesures d'état continues. L'analyse de stabilité des quatre approches de commande proposées a été analytiquement étudiée sur la base des concepts de Lyapunov et Lyapunov-Krasovskii. Plusieurs scénarios expérimentaux en temps réel ont été menés en utilisant le véhicule Leonard pour valider l'efficacité et la robustesse de toutes les approches proposées dans différentes conditions opérationnelles.

The oceans and seas of our planet hold treasures that are almost completely hidden from us. Apart from their characteristics to regulate our changing climate, they provide shelter for about 90% of living beings on the earth. Unmanned Underwater Vehicles (UUVs) extend the intelligent actions of a human to these unknown environments. However, controlling these vehicles, especially low-cost versions, to accurately track a time-varying trajectory remains an open problem, due to internal and external disturbances, parametric uncertainties, unmodelled dynamics, and unpredictable operating environments. Based on these challenges, this thesis proposes to deal with the tracking control problem of UUVs through the development of new nonlinear robust and observation-based control schemes.Within this context, four contributions are proposed as follows. First, a new saturation-based adaptive+ control scheme has been proposed taking into account constraints such as the hardware limitation due to the low-cost feature and inherent implementation issues related to the considered UUVs, in addition to the previously mentioned challenges. The proposed control approach, named Saturation-based Adaptive Computed Torque+ (SACT+), has been designed by exploiting (i) the main advantages of the classical computed torque (CT) structure, (ii) dynamic compensation, (iii) saturation function, and (iv) an adaptation law. In the second contribution, a new saturated super-twisting RISE (Robust Integral of the Sign of the Error) control, called S+RISE scheme, has been proposed. This new advanced control scheme uses saturated dynamical feedback gains instead of classical static gains. The resulting dynamic gains have been used to design the robust terms of the proposed control scheme. This enables the proposed approach to learn the behaviour of the time-varying disturbances within a short time lapse. Similarly, a new SMC-based robust adaptive control scheme has been proposed by combining robustness and adaptation to overcome inherent problems within the UUVs and their operating environment during tracking tasks. Then, our main goal was to design a computationally light, robust and chattering-free control scheme for low-cost UUVs. Then, a new continuous-discrete time observer has been proposed. The proposed observer aims to enhance the performance of the new S+RISE control by providing continuous-state measurements. The stability analysis of all the four contributed control schemes have been analytically studied based on Lyapunov and Lyapunov–Krasovskii concepts. Several real-time experimental scenarios have been conducted using the Leonard vehicle to validate the efficiency and the robustness of all the proposed schemes in various operating conditions.