Diagnostic basé Hinfini/Hmoins et tolérance aux fautes pour l'autonomie des missions spatiales.

Hinfinity/Hminus based diagnosis and fault tolerance for autonomous space missions.

• Auteur / Autrice : Martin Fauré
• Direction : David Henry, Jérôme Cieslak
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, Productique, Signal et Image, Ingénierie cognitique
• Date : Soutenance le 01/12/2022
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Approche Robuste et Intégrée de l'Automatique (ARIA)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Alazard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Cieslak, Finn Ankersen, Michel Kinnaert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Daniel Alazard, Jean-Marc Biannic

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contraintes (mécanique)

Commande H-infini

Tolérance aux fautes (ingénierie)

Espace extra-atmosphérique -- Exploration

Mots clés libres

Mission spatiale

Tolérance aux fautes

Post-Analyse de performances robustes

Hinfini/Hmoins

Contraintes quadratiques intégrales

Space mission

Fault tolerance

Robust performance post-Analysis

Hinfinity/Hminus

Integral quadratic constraints

Résumé

Le placement des tuyères sur les véhicules spatiaux est un processus coûteux qui demande actuellement aux équipes « architecture système » beaucoup d’itérations, car il existe peu d'outils de conception à l'heure actuelle.Dans la pratique, la démarche est souvent une démarche basée sur l'expérience. Par ailleurs, les besoins en autonomie embarquée des engins spatiaux poussent les industriels à coupler le placement des tuyères avec des « contrôleurs intelligents », équipés de fonctions de diagnostic et d’accommodation de défauts.Partant de ce constat, cette thèse propose deux contributions.La première contribution consiste en la formulation et résolution d'un problème d’optimisation permettant de placer de façon optimale les tuyères sur un engin spatial, en tenant compte des contraintes dites de diagnosticabilité et de reconfigurabilité. Plus précisément, le problème d’optimisation est formulé tel que :- L'existence d'une solution de diagnostic basée modèle est garantie via la formulation de contraintes de détectabilité et d’isolabilité.- L'existence d'une solution au niveau « contrôle» est formulée via une fonction coût quantifiant l’inclusion du polytope de l’espace des commandes nécessaires dans le zonotope de l’espace des commandes possibles du satellite en cas de panne et permet ainsi de garantir le recouvrement des fautes.- Enfin des contraintes géométriques permettent de considérer des contraintes d'architecture telles que la contamination de l’avionique (antenne RF, caméra...)La deuxième contribution est une contribution théorique dans le domaine de la post-analyse Hinfini/Hmoins (donc pire cas) de n'importe quelle solution de diagnostic basée modèle. Elle consiste en une méthode de vérification formelle de la performance de n'importe quel filtre de détection de défauts pour les systèmes linéaires à paramètres variants (LPV) représentés sous la forme d’une transformation linéaire fractionnaire (LFT).La théorie des contraintes quadratiques intégrales (IQC) est utilisée pour formuler une borne supérieure de la fonction µg développée par l'équipe ARIA du laboratoire IMS et ainsi étendre la µg-analyse au cas où les paramètres varient dans le temps. Cette formulation conduit à des problèmes d'optimisation sous contraintes d’inégalités matricielles quasi convexes qui sont résolus par de la programmation semi-définie (SDP). La méthode proposée permet de considérer des incertitudes LTI à dépendance polynomiale rationnelle, constantes ou variables dans le temps (avec une vitesse de variation bornée ou non), ainsi que des délais et certaines non-linéarités. On montre que l'approche développée est valable également pour les filtres de diagnostic LTI et recoupe donc la théorie de la µg-analyse. La théorie IQC développée est illustrée sur un exemple de détection de pannes de tuyères sur un satellite.

Placement of thrusters on spacecrafts is a costly process that currently takes a lot of iterations for "system architecture" teams, as there are few design tools currently available.In practice, the approach is often an approach based on experience. Furthermore, the need for on-board autonomy of spacecrafts are pushing industrials to consider the thruster placement coupled with "intelligent controllers", equipped with fault detection and accommodation functions.Based on this observation, this dissertation proposes two contributions.The first contribution consists in the formulation and resolution of an optimization problem allowing to optimally place the thrusters on a spacecraft, taking into account the so-called diagnosability and reconfigurability constraints. More precisely, the optimization problem is formulated such that:- The existence of a model-based diagnostic solution is guaranteed via the formulation of detectability and isolability constraints.- The existence of a solution at the "control level" is formulated via a cost function quantifying the inclusion of the polytopic set of the necessary commands in the zonotopic set of the possible commands in the event of a fault makes it possible to guarantee the recovery of the faults.- Finally, geometric constraints allow considering architectural constraints such as avionics contamination (RF antenna, camera, etc.)The second contribution is a theoretical contribution in the field of post-analysis Hinfinity/Hminus (thus worst case) of any model-based diagnosis solution. It consists of a formal verification method of the performance of any fault detection filter for linear parameter-varying (LPV) systems represented as a linear fractional transformation (LFT).The theory of integral quadratic constraints (IQC) is used to formulate an upper bound of the µg function developed by the ARIA team of the IMS laboratory and thus extend the µg-analysis to the case where the parameters vary over time. This formulation leads to optimization problems constrained by quasi-convex matrix inequalities which are solved by semi-definite programming (SDP). The proposed method makes it possible to consider LTI uncertainties with rational polynomial dependence, constant or variable over time (with or without a bounded rate of variation), as well as delays and some types of non-linearities. We show that the developed approach is also valid for LTI diagnostic filters and therefore matches the µg-analysis theory. The developed IQC theory is illustrated on an example of thruster failure detection on a satellite.