Soutenance mémoire
MODÉLISATION NON LINÉAIRE
CONTEXTE D’ÉTUDE ET CHOIX ARCHITECTURAUX
Historique
Les premiers drones sous-marins furent construits pendant le premier quart du XXe siècle. Il s’agissait en fait de simples torpilles sous-marines reconfigurées de manière autonome avec un pilote automatique basique. Pendant la seconde guerre mondiale, le domaine sous-marin ne se développa pas aussi vite que le secteur aérien. Les phénomènes hydrodynamiques complexes étaient peu connus, mal contrôlées, et les forces armées utilisaient beaucoup plus l’aviation comme une force destructrice rapide et massive. La guerre sous-marine est toujours restée dans l’ombre, et elle est connue du grand public que lorsque les dossiers confidentiels deviennent publics. La guerre froide a accéléré le perfectionnement des études sous-marines. Au début des années 1970, l’Université de Washington et le MIT [1] construisaient leurs premiers drones sous-marins dans leurs laboratoires de recherche. Dans le même temps, l’ex-URSS développait de nouvelles technologies dont certaines sont encore tenues secrètes de nos jours. De 1970 à 1980, environ une dizaine de véhicules sous-marins différents ont été fabriqués et testés par des universités, des organismes d’état ou des forces armées [1]. Ce domaine a connu un essor plus important avec une diversification de ses champs d’application vers la fin des années 1980 (Figure 1.1) [1] . Au début de l’histoire, les drones étaient essentiellement militaires, mais le secteur civil s’intéressa de plus en plus aux avantages substantiels qu’ils pouvaient apporter. Ces véhicules, restant coûteux à l’époque, n’ont connu leur véritable essor qu’à partir des années 2000 (Figure 1.2) [1] et ont été utilisés pour plus d’applications civiles. Ils sont utilisés aussi bien pour la recherche scientifique sous-marine que pour l’implantation et l’entretien d’installations sous-marines ou immergées.
Classification des drones et des domaines d’utilisation
Dans cette étude, il faut bien différencier les drones marins. Il y a les drones de surfaces et les drones sous-marins. La dénomination « drone de surface » correspond aux bâtiments et vaisseaux autonomes qui naviguent sur les océans et les mers. En aucun cas, ces navires ne peuvent plonger ou effectuer une quelconque activité sous le niveau de la mer. La classification ne porte que sur les drones sous-marins. Cette distinction faite, les véhicules, communément appelés UUV (Unmanned Underwater Vehicles) sont classés suivant six principales catégories :
• Les AUV (Autonomous Underwater Vehicles) [3] : une ou plusieurs missions leur sont confiés avant leur immersion ou à la surface de l’eau par communications radio. Une fois leur mission enregistrée, ce type de drone est complètement autonome. Leur type de mission est vaste. D’une part, par leur autonomie de déplacement, ces engins sont les plus souvent utilisés pour des missions conventionnelles en mer. Dans le secteur militaire, ces engins détectent les mines sous-marines, cartographient des zones ennemies et identifient des vaisseaux ennemis, qu’ils soient en surface ou immergés. Pour les applications civiles, ces drones récoltent des données d’études océaniques
(salinité, courants marins, température, faune, flore,…) et cartographient les fonds marins. Ils représentent un élément important de la durée de vie des installations industrielles sous-marines (implantation, surveillance, entretien, maintenance,…).
• Les MUV (Micro Autonomous Vehicles) [4] : ces drones sont qualifiés de drones miniatures. Ces véhicules servent à l’inspection de canalisations d’oléoducs, de gazoducs et de coques de navires. Ils sont utiles dans les endroits escarpés où des drones de la catégorie précédente ne peuvent pas se déplacer.
• Les SAV (Solar-powered Autonomous Vehicles)) [5] : ces drones, en moins grand nombre que les précédents, proviennent de développement visant soit une performance d’endurance de très long terme, soit un aspect écologique de leur environnement. Ils ont l’inconvénient de devoir remonter à la surface régulièrement pour recharger leurs batteries.
• Les AUG (Autonomous Underwater Gliders) : cette catégorie regroupe les drones qui se servent d’une flottabilité positive pour faire surface et d’une flottabilité négative pour plonger. L’avantage de se servir de la dynamique de la poussée d’Archimède permet d’augmenter considérablement l’endurance. Il n’a donc pas besoin de propulseur pour plonger ou remonter à la surface. Ces drones, munis d’ailes stabilisatrices, servent aux études océaniques car ils peuvent rester des mois en mer et ainsi étudier de vastes superficies.
• Les BUV (Biomimetic Underwater Vehicles) : ces véhicules sous-marins s’inspirent de la morphologie et des modes de déplacements des animaux aquatiques tels que les raies, les méduses ou encore les pingouins. Ces drones ont des structures flexibles qui permettent de se déplacer et de s’orienter dans leur environnement.
• Les ROV (Remotely Operating Vehicles) [8] : cette dernière catégorie fait partie des drones sous-marins. Cependant, cette classe de véhicules est différente des cinq premières décrites ici, dans le sens où ces engins sont pilotés par des opérateurs. Ils ne sont donc pas autonomes dans le sens strict. Leur utilité est requise pour l’inspection de zone étroite ou escarpée mais où l’homme peut s’en approcher. Contrairement aux MUV, ces drones servent également pour la surveillance et l’entretien des coques des navires ou des installations industrielles immergées facilement accessibles.
Selon la classification et des exemples d’utilisation cités ci-dessus, il est possible d’entrevoir la liste des domaines d’emploi des drones sous-marins. Pour une meilleure visibilité de leur fonction, il est préférable de scinder le secteur militaire, le secteur civil de recherche et le secteur civil industriel. Pour le domaine militaire :
• cartographies détaillées pour l’espionnage, • détection et identification des mines sous-marines, • détection et identification des navires, des bâtiments marins et des sous-marins, • protection des ports militaires et des environnements portuaires, • lutte anti sous-marine, • écoute sonar passive (analyse du bruit émis par chaque cible), • écoute sonar active (analyse du coefficient de réflexion sonore de chaque cible), • inspection des coques de navires et des sous-marins habités.
Pour le domaine de la recherche :
• cartographies des fonds marins, • études océaniques : salinité, température, pression, bathymétrie, réflexion de la lumière, microbiologie sous-marine, faune, flore, capacité d’absorption du dioxyde de carbone, concentration des éléments chimiques, montée du niveau de la mer, …
Pour le domaine industriel :
• installations des canalisations sous-marines : gazoducs, oléoducs, • réparation et maintenance de canalisations immergées, • manutention, préhension et soudure à grande profondeur et haute pression, • surveillance et entretien des plateformes pétrolières (corrosion, fissures), • détection de minerai, de gaz naturel et de pétrole sous-marin, • inspection de coques de navires et de pétroliers.
La NAVY [9] classe les drones sous-marins suivant plusieurs critères. L’un d’entre eux est leur fonction principale. Ces rôles peuvent s’énumérer ainsi :
• intelligence, surveillance et reconnaissance,
• contremesures pour les mines, • guerre anti sous-marine, • inspection et identification, • océanographie, • transport de charge et de fret, • opération de renseignement, • aide à la décision dans la chaîne de commandement (time critical strike).
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 CONTEXTE D’ÉTUDE ET CHOIX ARCHITECTURAUX
1.1 Historique
1.2 Classification des drones et des domaines d’utilisation
1.3 Hypothèses d’études
1.4 Choix de l’architecture
1.4.1 Dimensionnement de la forme extérieure
1.4.2 Choix du mode de propulsion
CHAPITRE 2 MODÉLISATION NON LINÉAIRE
2.1 État de l’art de la modélisation de drone sous-marin
2.2 Dynamique à six degrés de liberté des solides indéformables
2.2.1 Équations des forces en trois degrés de liberté
2.2.2 Équations des moments en trois degrés de liberté
2.2.3 Bilan de la dynamique à six degrés de liberté d’un drone indéformable
2.3 Masses et inerties ajoutées
2.3.1 Signification physique du phénomène
2.3.2 Calcul des masses ajoutées par l’approche énergétique
2.3.3 Bilan des forces et des moments hydrodynamiques de masse et d’inertie ajoutées
2.4 Amortissement hydrodynamique
2.4.1 Amortissement hydrodynamique linéaire
2.4.2 Amortissement hydrodynamique quadratique
2.4.3 Bilan des forces et moments d’amortissement hydrodynamique
2.5 Forces de pesanteur et d’Archimède
2.6 Forces de propulsion
2.6.1 Théorie de l’hélice
2.6.2 Bilan des forces et moments de propulsion
2.7 Modélisation non linéaire du drone sous-marin
CHAPITRE 3 COMMANDE DU DRONE ET SUIVI DE TRAJECTOIRE
3.1 État de l’art de la commande
3.2 Méthode de linéarisation exacte entrée-sortie et découplage par retour d’état
3.2.1 Théorie mathématique de la linéarisation exacte entrée-sortie
3.2.2 Application au modèle non linéaire du drone
3.3 Contrôle linéaire du suivi de trajectoire
3.3.1 Ajout de la modélisation des moteurs et des actionneurs
3.3.2 Commande en cap, en profondeur et protection du domaine de navigation
3.3.3 Correcteurs de type Proportionnel Intégral du contrôle des couples et des forces
CHAPITRE 4 RÉSULTATS ET DISCUSSION
4.1 Définition du parcours de référence
4.2 Résultats
4.2.1 Résultats de simulation sans bruit de mesure
4.2.2 Résultats de simulation avec du bruit de mesures
4.3 Limites de l’étude
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
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