Contributions à la modélisation et la commande de véhicules sous-marins autonomes actionnés par des nageoires

Contributions to the Modeling and Control of Fin-Actuated Autonomous Underwater Vehicles

• Auteur / Autrice : Walid Remmas
• Direction : François Pierrot, Kruusmaa Maarja
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : SYAM - Systèmes Automatiques et Micro-Électroniques
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 18/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....) en cotutelle avec Tallinn University of Technology
• 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-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Département Robotique
• Jury : Président / Présidente : Eduard Petlenkov
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Pierrot, Maarja Kruusmaa, Ahmed Chemori, Tor Arne Johansen, Luc Jaulin, Juri Belikov, Vincent Creuze
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Tor Arne Johansen, Luc Jaulin

Mots clés

Mots clés libres

Commande

Robotique

Sous-marine

Nageoire

Modélisation

Bio-inspiré

Control

Robotics

Underwater

Fins

Modelling

Bio-inspired

Résumé

Le domaine sous-marin, caractérisé par sa complexité et son immensité, nécessite l'utilisation de véhicules sous-marins autonomes (AUV) pour l'exploration et les tâches opérationnelles. Les AUV traditionnels à propulsion par hélice ont joué un rôle clé dans ce domaine, mais leurs limites en matière d'agilité deviennent de plus en plus évidentes. Cette thèse étudie rigoureusement les capacités des AUV actionnés par des nageoires, qui s'inspirent des principes de locomotion de la vie marine. Un défi significatif dans les opérations sous-marines est le suivi robuste et précis des plongeurs, en particulier dans des conditions de visibilité limitée. Les méthodologies existantes sont souvent insuffisantes dans de tels scénarios exigeants. Pour y remédier, la thèse introduit un système de suivi de plongeur à la fois sophistiqué et économique. En intégrant de manière synergique des données visuelles et acoustiques, une précision de suivi accrue est obtenue, démontrant l'adaptabilité des AUV actionnés par des nageoires dans des environnements marins dynamiques. En passant du suivi des plongeurs, la thèse aborde une lacune dans la littérature actuelle concernant la modelisation dynamique des AUV actionnés par des nageoires. Plus précisément, il manque des modèles qui relient les paramètres d'actionnement des nageoires à la poussée générée, et qui peuvent être facilement inversés à des fins de contrôle. Un modèle dynamique non linéaire est présenté, capturant la relation entre la poussée de la nageoire et ses paramètres d'oscillation. Empiriquement validé, ce modèle sert de fondement au développement d'un modèle inverse, offrant une nouvelle approche au contrôle du véhicule. La précision du contrôle est un aspect critique des opérations de AUV. Les AUV traditionnels font face à des défis pour atteindre un contrôle à 6 degrés de liberté (DDL), en particulier lorsqu'ils sont contraints par un nombre limité d'actionneurs. Une nouvelle méthode de contrôle à 6 DDL adaptée aux AUV actionnés par des nageoires est présentée. Cette méthode permet des mouvements sous-marins complexes, atteignant un contrôle à 6 DDL avec seulement quatre actionneurs, une avancée significative dans le domaine. La nécessité d'un contrôle tolérant aux pannes dans la robotique sous-marine va au-delà de l'intérêt académique ; il s'agit d'une exigence critique pour les missions réelles. Étant donné les conditions sous-marines difficiles et imprévisibles, les défaillances des actionneurs ne sont pas rares. Pour les AUV actionnés par des nageoires, une seule défaillance de nageoire peut gravement entraver les capacités opérationnelles du véhicule. La thèse introduit un schéma de contrôle actif tolérant aux pannes spécifiquement conçu pour les AUV à quatre nageoires. Le schéma comporte un mécanisme de répartition du contrôle qui redistribue de manière adaptative les forces de contrôle entre les nageoires en cas de défaillance. En conclusion, la thèse offre une étude complète sur les AUV actionnés par des nageoires, couvrant les aspects de la perception, de la modélisation et du contrôle. Chaque contribution aborde non seulement un défi spécifique, mais pose également les bases pour de futures avancées dans la robotique sous-marine. Les résultats validés expérimentalement soulignent en outre l'utilité potentielle des AUV actionnés par des nageoires dans des opérations et des explorations sous-marines complexes.

The underwater realm, characterized by its complexity and vastness, necessitates the use of autonomous underwater vehicles (AUVs) for exploration and operational tasks. Traditional propeller-driven AUVs have been instrumental in this field, but their limitations in agility are becoming increasingly evident. This thesis rigorously investigates the capabilities of fin-actuated AUVs, which draw inspiration from the locomotion principles of marine life. A significant challenge in underwater operations is the robust and accurate tracking of divers, particularly in conditions of limited visibility. Existing methodologies often fall short in such demanding scenarios. To address this, the thesis introduces a diver tracking system that is both sophisticated and cost-effective. By synergistically integrating visual and acoustic data, enhanced tracking accuracy is achieved, demonstrating the adaptability of fin-actuated AUVs in dynamic marine environments. Transitioning from diver tracking, the thesis addresses a gap in current literature concerning the locomotion dynamics of fin-actuated AUVs. Specifically, models that relate fin actuation parameters to generated thrust, and that can be easily inverted for control purposes, are lacking. A nonlinear dynamic model is presented, capturing the relationship between fin thrust and its oscillation parameters. Empirically validated, this model serves as the foundation for the development of an inverse model, offering a novel approach to vehicle control. Control precision is a critical aspect of AUV operations. Traditional AUVs face challenges in achieving 6-DOF (Degrees of Freedom) control, particularly when constrained by a limited number of actuators. A novel 6-DOF control method tailored for fin-actuated AUVs is presented. This method enables intricate underwater motions, achieving 6-DOF control with only four actuators, a significant advancement in the field. The necessity for fault-tolerant control in underwater robotics extends beyond academic interest; it is a critical requirement for real-world missions. Given the harsh and unpredictable underwater conditions, actuator failures are not uncommon. For fin-actuated AUVs, a single fin failure can severely impede the vehicle's operational capabilities. The thesis introduces an active fault-tolerant control scheme specifically designed for four fin-actuated AUVs. The scheme features a control allocation switching mechanism that adaptively redistributes control forces among the fins in the event of a failure. In conclusion, the thesis offers a comprehensive study on fin-actuated AUVs, covering aspects of perception, modeling, and control. Each contribution not only addresses a specific challenge but also lays the groundwork for future advancements in underwater robotics. The experimentally validated results further underscore the potential utility of fin-actuated AUVs in complex underwater exploration and operations.