Adaptation temps-réel de la voilure: vers une navigation économe en énergie avec un contrôle adaptatif et optimal

Real-time Adaptation of the Sails: Towards Energy-efficient Navigation with Adaptive and Optimal Control

• Auteur / Autrice : Sean Smith
• Direction : Emmanuel Witrant, Ya-Jun Pan
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Automatique - Productique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Grenoble Images parole signal automatique (2007-....)

Mots clés

Mots clés libres

Contrôle Adaptatif

Contrôle Optimal

Modélisation Aérodynamique

Adaptation des Voiles

Contrôle Robuste

Adaptive Control

Optimal Control

Aerodynamic Modelling

Sail Adaptation

Robust Control

Résumé

Avec la montée en puissance des voiliers autonomes en tant que mode de transport durable, de nouveaux défis et obstacles techniques ont émergé. Le point central de ces défis réside dans les dynamiques complexes des forces du vent et de la voile. Alors que les modèles mathématiques simplifiés ont traditionnellement été suffisants pour la dynamique des navires, la signification des capacités de contrôle adaptatif et de la variabilité des paramètres est reconnue. De plus, la capacité de la voile à générer une force motrice sur le mât est cruciale pour l'efficacité de la navigation. Les méthodes existantes, telles que les tables de recherche, fournissent des estimations de cette force, mais elles présentent des limitations, notamment en ce qui concerne la prise en compte des interactions complexes entre le vent et la voile. Des recherches récentes utilisant une approche des équations de Navier-Stokes moyennées de Reynolds et des mesures de pression en soufflerie ont éclairé cette question. Elles soulignent l'importance de modéliser avec précision les dynamiques de l'écoulement autour de la voile, en particulier la détection de la séparation de la couche limite, et en optimisant la configuration de la voile pour atteindre une force motrice maximale. Ce projet de thèse s'efforce de relever ces problèmes complexes en avançant notre compréhension des dynamiques de l'écoulement autour de la voile, tout en optimisant les paramètres de la voile pour maximiser la force motrice. Cependant, la pertinence de ces améliorations dans le monde réel demeure une préoccupation primordiale. Cette intégration permettra d'examiner en détail le problème de la commande de cap, en tenant compte de l'interaction entre les dynamiques distribuées et les changements brusques d'angle de cap. L'approche englobera de nouvelles méthodes de contrôle hybrides dans le cadre de dimensions infinies. De plus, l'objectif est de concevoir un observateur qui exploite les informations en temps réel sur la direction du vent et un nombre limité de capteurs d'écoulement pour estimer les propriétés de l'écoulement et la force motrice de la voile. Pour ce faire, la thèse explorera l'utilisation d'observateurs de frontière adaptatifs pour les systèmes hyperboliques. Parallèlement à ces avancées, le projet se penchera sur les méthodes de contrôle par commutation, les stratégies de contrôle robuste et l'analyse de la stabilité dans des environnements difficiles. Grâce à des simulations approfondies et à des expérimentations pratiques, cette recherche vise à améliorer les performances et la fiabilité des voiliers autonomes, les rendant plus efficaces et adaptés aux scénarios du monde réel où les complexités des interactions entre le vent et la voile, ainsi que le contrôle robuste et la stabilité, sont cruciaux.

With the increasing prominence of autonomous sailboats as a sustainable mode of transport, new challenges and technical hurdles have emerged. The focal point of these challenges lies in the intricate dynamics of wind and sail forces. While simplified mathematical models have traditionally been adequate for ship dynamics, the significance of adaptive control capabilities and parameter variability is recognized. Furthermore, the sail's ability to generate driving force on the mast is crucial for sailing efficiency. Existing methods, such as lookup tables, offer estimates of this force, but they have limitations, particularly in accounting for complex interactions between the wind and sail. Recent research employing a Reynolds-averaged Navier-Stokes approach and wind tunnel pressure measurements has shed light on this issue. It highlights the importance of accurately modeling the flow dynamics around the sail, especially in detecting boundary layer separation, and optimizing sail trims to achieve maximum driving force. This thesis project endeavors to tackle these multifaceted issues by advancing our understanding of flow dynamics around the sail, while also optimizing sail settings to maximize driving force. However, the real-world applicability of these enhancements remains a paramount concern. This integration will allow for a thorough review of the heading control problem, considering the interplay between distributed dynamics and abrupt changes in the heading angle. The approach will encompass novel hybrid control methods within the framework of infinite dimension. Additionally, the goal is to design an observer that leverages real-time wind direction information and a limited number of flow sensors to estimate flow properties and the driving force of the sail. To achieve this, the thesis will explore the utilization of adaptive boundary observers for hyperbolic systems. Alongside these advancements, the project will delve into switching control methods, robust control strategies, and stability analysis in harsh environments. Through extensive simulations and practical experimentation, this research aims to elevate the performance and reliability of autonomous sailboats, making them more efficient and suitable for real-world scenarios where the complexities of wind and sail interactions, as well as robust control and stability, are pivotal.