Conception et pilotage synchronisés d’ombilicaux actionnés communicants : application à l’interconnexion de robots marins et sous-marins.

Ornella Tortorici (nov. 2017)

 

Financement : Bourse Région PACA et Université de Toulon

Encadrement : Vincent HUGEL, Hervé BARTHELEMY et Cédric ANTHIERENS

 

Dans le cadre de l’exploration sous-marine des eaux de faible profondeur, des équipements tels que des ROV (Remotely Operated Vehicle – drones sous-marins téléopérés) ou autres robots, sont utilisés. Ces équipements sous-marins nécessitent l’emploi d’un ombilical qui les relie à un poste de commande en surface. S’il est passif, ce lien peut être un frein pour la mobilité en impliquant une force de trainée très consommatrice en énergie, des actions mécaniques indésirables sur le robot, des risques d’accroche à l’environnement marin et la création de nœuds.

L’objectif de cette thèse est de contribuer à la gestion des ombilicaux des engins sous-marins en concevant un système ombilical intelligent pouvant non seulement limiter ses effets indésirables sur la navigation du ROV, mais également être actif et permettre de nouvelles stratégies de pilotage à toute la cordée.

L’application visée se focalise sur le cas d’un ombilical reliant un drone de surface et un ROV pour une mission d’observation et de mesure en faible profondeur à proximité du littoral. L’ensemble du système, qui sera soumis aux courants marins, devra évoluer dans un environnement à profondeur variable et possiblement contraint par la présence de relief, de faune et de flore sous-marines.

L’impact sur l’environnement marin sera pris en compte dans l’ensemble de la conception de ce système.

Ornella TORTORICI

Ornella Tortorici

Doctorante

Financement : Bourse Région PACA et Université de Toulon

tél :

courriel : ornella.tortorici@univ-tln.fr

Bio

Diplômée de l’école d’ingénieur SEATECH.

 

Recherche

Sujet de la thèse : Conception et pilotage synchronisés d’ombilicaux actionnés communicants : application à l’interconnexion de robots marins et sous-marins

Directeur de thèse : Vincent HUGEL, PR, Université de Toulon, Laboratoire COSMER

Co-encadrant de thèse : Cédric ANTHIERENS, MCF, Université de Toulon, Laboratoire COSMER et Hervé BARTHELEMY Laboratoire, Université de Toulon, Laboratoire IM2NP

Dans le cadre de l’exploration sous-marine des eaux de faible profondeur, des équipements tels que des ROV (Remotely Operated Vehicle – drones sous-marins téléopérés) ou autres robots, sont utilisés. Ces équipements sous-marins nécessitent l’emploi d’un ombilical qui les relie à un poste de commande en surface. S’il est passif, ce lien peut être un frein pour la mobilité en impliquant une force de trainée très consommatrice en énergie, des actions mécaniques indésirables sur le robot, des risques d’accroche à l’environnement marin et la création de nœuds.

L’objectif de cette thèse est de contribuer à la gestion des ombilicaux des engins sous-marins en concevant un système ombilical intelligent pouvant non seulement limiter ses effets indésirables sur la navigation du ROV, mais également être actif et permettre de nouvelles stratégies de pilotage à toute la cordée.

L’application visée se focalise sur le cas d’un ombilical reliant un drone de surface et un ROV pour une mission d’observation et de mesure en faible profondeur à proximité du littoral. L’ensemble du système, qui sera soumis aux courants marins, devra évoluer dans un environnement à profondeur variable et possiblement contraint par la présence de relief, de faune et de flore sous-marines.

L’impact sur l’environnement marin sera pris en compte dans l’ensemble de la conception de ce système.

 

Enseignement

Vacations à l’école d’ingénieur SEATECH

  • 2017-2018 : 24 h TP

Fabrication additive par dépôt de fil robotisé multi-axes – Optimisation des trajectoires de dépôt et du pilotage du robot

Maxime CHALVIN (sept. 2017)

Financement : CDSN (Contrat Doctoral Spécifique pour Normalien)

Entreprise partenaire : Poly-Shape

Encadrement : Vincent HUGEL et Sébastien CAMPOCASSO

Depuis plusieurs années, la fabrication additive est en plein essor dans le milieu industriel pour la réalisation directe de petites séries de pièces métalliques fonctionnelles. Toutefois, les technologies sur lit de poudre présentent actuellement un coût de fabrication élevé et des limites dimensionnelles (environ 600 mm) qui freinent leur diffusion dans certains secteurs industriels comme l’aéronautique ou le naval. Les techniques de dépôt direct multi-axes sont actuellement en fort développement car elles offrent des dimensions de travail plus importantes, des possibilités de reprise sur les pièces (réparation, ajout d’entités…) et peuvent être combinées aux procédés d’usinage pour aboutir à des procédés de fabrication dits hybrides.

La fabrication additive par dépôt de fil métallique est un procédé sur lequel misent de nombreux industriels pour réduire les coûts de fabrication de pièces dans le futur. En effet, cette technologie, très flexible, présente de nombreux avantages par rapport aux autres procédés de fabrication additive : faible investissement (de l’ordre de 100 à 500 k€, contre 600 k€ à 1,5 M€ pour les procédés en lit de poudre et 800 k€ à 2 M€ pour la projection de poudre), grand espace de travail (plusieurs mètres), forte productivité (plusieurs kg/h contre quelques g/h), bonne qualité métallurgique (défauts analogues au soudage, pas de porosités…), peu d’immobilisation et de perte de matériau, faible coût et changement rapide du matériau, réduction des risques HSE par rapport aux poudres métalliques…

Le dépôt de fil métallique à l’aide de robots industriels est donc un procédé qui pourrait améliorer la compétitivité de l’industrie aéronautique et qui apparait idéal pour les applications de fabrication de l’industrie navale compte-tenu des petites séries et des grandes dimensions des pièces produites. Ces deux secteurs cibles sont des acteurs économiques majeurs en région PACA.

Actuellement les machines de fabrication additive commercialisées offrent peu de possibilités de réglages et de modifications de par les verrous imposés par les constructeurs. Les possibilités de travaux de recherche sur ces moyens sont ainsi limitées. L’utilisation de robots industriels couplés à des systèmes de dépôt direct permet d’obtenir des moyens de fabrication de grandes dimensions et plus « ouverts ». Des développements spécifiques peuvent ainsi être réalisés en vue d’optimiser un processus de fabrication ciblé. Cette optimisation passe par la maîtrise simultanée des paramètres du procédé de dépôt (énergie, vitesse d’apport du fil…), mais également de la trajectoire et de la vitesse d’avance du « point déposant ». Il est également possible dans certains cas de faire varier l’orientation de dépôt, et ainsi de supprimer les supports de fabrication. Néanmoins, la réussite de la fabrication nécessite de pouvoir générer des trajectoires de dépôt tridimensionnelles complexes permettant le bon « remplissage » de la pièce en fonction de sa géométrie et de celle du cordon déposé. Or, les géométries du cordon et de la pièce peuvent varier en fonction des paramètres du procédé, de la température de la pièce ou encore de l’orientation de dépôt par rapport à la gravité.

La génération des trajectoires est une problématique commune à tous les procédés de dépôt direct (Direct Energy Deposition) sur machines multi-axes, qu’ils procèdent par projection de poudre ou par dépôt de fil quelle que soit la technologie de fusion (arc avec électrode enrobée, MIG-MAG, TIG, plasma, laser, voire faisceau d’électrons). La prise en compte des problématiques thermiques lors de la génération des trajectoires constitue également une voie de recherche qui fait l’objet de quelques travaux initiés récemment pour les procédés sur lit de poudre. Le sujet de thèse proposé vise donc à compléter les travaux actuels sur l’optimisation de trajectoire dans le cas du procédé de dépôt de fil.

Observateurs non linéaires pour les systèmes à mesures asynchrones ou datations incertaines : application à la robotique sous-marine dédiée à l’asservissement référencé multi-capteurs

Aïda Feddaoui (oct. 2016) (co-direction LSIS)

Financement : Bourse établissement (ministère)

Encadrement : Eric BUSVELLE (LSIS), Vincent HUGEL et Nicolas BOIZOT (LSIS)

Le travail de thèse proposé consiste à développer des outils pour l’estimation dynamique de l’état d’un système non-linéaire physique. Ces outils – typiquement des observateurs – ont vocation à améliorer les techniques actuelles d’asservissement référencé multi‐capteurs, en particulier dans le domaine de la robotique sous‐marine.
Les développements concerneront deux types de systèmes continus‐discrets qui ne satisfont pas les hypothèses usuelles permettant l’utilisation d’observateurs dont la convergence serait assurée : 1) les systèmes à mesures asynchrones et 2) les systèmes à datation incertaine.

  1. Les sorties multiples d’un système proviennent habituellement de plusieurs capteurs. En général, et c’est une hypothèse théorique très éloignée de la réalité physique, ces capteurs sont supposés synchrones, c’est‐à‐dire qu’ils fournissent tous leur mesure au même instant. Nous proposons d’étudier l’observabilité et de développer un observateur spécifique ainsi que les notions théoriques adéquates de sorte à pouvoir relaxer l’hypothèse de synchronicité des capteurs.
  2. La famille des systèmes à datation incertaine est constituée de systèmes continus‐discrets pour lesquels les instants où les mesures sont prises ne sont pas exactement connus. Ce cas est de plus en plus fréquent, quand l’information délivrée par les capteurs est transmise sur un réseau de capteurs dont les protocoles n’assurent pas toujours une véritable transmission temps‐réel.
    Ce type de problématique, très peu étudiées pour des observateurs, est très présent en robotique mobile. En particulier, les robots sous-marins basent leur navigation sur des mesures optiques et des mesures acoustiques, voir GPS en surface, toutes les mesures n’étant pas synchrones ni toujours précisément datées

Métriques de performance pour l’évaluation de missions de véhicules sous-marins reconfigurables en zone de surf.

Nicolas Gartner (oct. 2016)

 

Financement : Projet DGA Rapid SURFBOT

Encadrement : Vincent HUGEL et Mathieu RICHIER

 

Les recherches effectuées en robotiques sous-marine s’intéressent principalement au développement de lois de commande, sans généralement inclure la conception mécatronique du véhicule dans l’optimisation de la loi de commande. En effet, cette démarche n’est pas nécessaire tant que le véhicule évolue en pleine eau, ce qui est le cas pour la plupart des missions. En revanche, dans des zones littorales fortement perturbées (dites “de surf”), il serait intéressant de pouvoir optimiser la conception mécatronique du véhicule pour augmenter la robustesse et/ou l’efficacité de la commande à travers les points suivants : l’estimation/observation des paramètres hydrodynamiques, la réduction de l’influence des perturbations dues aux courants et l’adaptation des actionneurs aux besoins des lois de commande.
Ainsi, il s’agit en premier lieu de développer un environnement de simulation permettant de modéliser le plus justement possible le comportement d’un drone sous-marin dans la zone de surf. L’évaluation du système demande le développement de critères innovants pour quantifier sa capacité à effectuer une mission donnée. Ces critères permettront d’évaluer la conception mécanique et la commande d’un drône sous-marins en simulation. Dans un second temps, ils pourront être directement intégrés dans un processus d’optimisation des paramètres du système (forme générale, position/orientation des moteurs, la propriété holonome ou non du véhicule) en fonction de la mission à réaliser (suivi d’un pipeline, stabilisation autour d’un point, déplacement vers un nouveau lieu, maintien d’une orientation, etc.). Finalement, l’ensemble de ces travaux de recherche permettra le développement de solutions de robotique reconfigurable, ce qui serait l’axe de recherche final de la thèse.

Asservissement référencé capteur d’une cordée de robots sous-marins

Matheus Laranjeira (janv. 2016)

 

Financement : Bourse Région PACA et SUBSEA-TECH

Encadrement : Vincent HUGEL et Claire DUNE

Robot léger en zone de surf

Pour des questions d’autonomie énergétique et pour faciliter le transfert de données, les robots sous-marins téléopérés (ROV) sont reliés par une laisse à un bâtiment. Les grands ROV peuvent être déployés à plusieurs centaines de mètres de leur base mais leur débattement leur interdit d’être déployés dans des zones de faible profondeur (< 7m). A l’inverse les petits modules peuvent être déployés en eaux peu profondes mais ne peuvent pas gérer une trop grande longueur de laisse, qui les déstabilise et les rend non manoeuvrants. Leur rapprochement des zones côtières nécessite un rapprochement de leur navire d’attache, ce qui compromet la discrétion de l’opération.
L’entreprise SUBSEA-TECH, partenaire du projet, a imaginé une flottille de petit ROV reliés en cordée : plusieurs petits modules identiques sont répartis tout au long de la laisse pour compenser ses mouvements et permettre au module terminal de se comporter comme s’il était à proximité de sa base.
L’objectif de cette thèse est de contrôler la navigation conjuguée et coordonnée d’une file de robots éclaireurs reliés par une laisse en utilisant de manière conjuguée les informations données par les capteurs embarqués (caméra, sonar). Les modules étant reliés, le déplacement de l’un d’entre eux implique nécessairement une perturbation des autres modules. En pleine eau, il s’agit de stabiliser la laisse. A proximité du rivage, le contrôle de la laisse est nécessaire pour faire face au flux et au reflux, et si possible affronter les perturbations liées aux vagues et aux tourbillons.

Conception pour la fabrication additive : Downsizing d’un système mécanique par l’optimisation multifonctionnelle.

Myriam Orquera (sept. 2015)

 

Financement : Professeur Agrégé en demi service

Encadrement : Dominique MILLET et Sébastien CAMPOCASSO

 

L’arrivée des nouvelles technologies de fabrication additive, plus communément connues sous l’appellation d’impression 3D, ouvrent de nouvelles perspectives permettant un gain de matière, une amélioration de tenue des pièces, … De plus le dépôt de matière réalisé couche après couche, libère des contraintes de conception imposées par les anciens procédés de fabrication (tel que l’usinage, le moulage…). Ainsi il est possible de réaliser des formes complexes, des cavités intérieures etc.
Pour réaliser des conceptions exploitant toutes les opportunités de ce procédé tout en respectant les nouvelles contraintes de fabrication il nous faut de nouvelles règles et méthodologies. C’est pourquoi, de nouveaux outils d’aide à la conception sont développés, réunis sous l’appellation «Conception pour la fabrication additive » (Design For Additive Manufacturing, DFAM). Cependant, la plupart des méthodes de DFAM suggérées dans la littérature jusqu’à ce jour restent focalisées sur une pièce seulement. De plus, les optimisations sont principalement limitées sur la réduction de la masse ou le nombre de pièces, et plus rarement sur l’ajout de certaines fonctions.
Une nouvelle approche est étudiée pour réaliser une optimisation multifonctionnelle d’un ensemble cinématique. Cela débouchera sur une méthodologie pour réaliser un downsizing sur des mécanismes afin, par exemple, d’utiliser moins d’énergie, diminuer l’encombrement, la masse, tout en obtenant une puissance de sortie identique. Puis, pour quantifier les améliorations et leur valeur ajoutée, un nouvel indicateur de conception nommé «taux de downsizing» sera défini.

Vers des modèles par contraintes génériques pour l’écoconception de produits

Alexandre Popoff (janv. 2015)

Encadrement : Dominique MILLET

 

Le travail réalisé au cours du doctorat s’articule autour de trois axes de recherche complémentaires. Notre objectif global est d’élaborer une méthode d’optimisation multi-objectifs du cycle de vie de produits manufacturés prenant en compte des données extérieures au produit telles que ses usages et son attractivité.

Nous avons choisi, pour notre premier axe de recherche, de nous focaliser sur la phase d’utilisation. Cette phase ne faisant, au regard de ses consoeurs, que depuis peu l’objet de recherches approfondies par la communauté de chercheurs en éco-conception, une étude dédiée s’avérait nécessaire afin d’assurer la pertinence de notre future méthode.

Notre deuxième axe de recherche s’appuie sur le précédent afin d’élaborer une méthodologie de modélisation du cycle de vie de produits suffisamment proche de la réalité. Notre travail porte sur l’utilisation de données issues d’ACV et d’ACCV pour alimenter une modélisation par contraintes du système étudié. Cette modélisation par contraintes peut ensuite être utilisée comme outil d’aide à la conception pour élaborer puis comparer différentes alternatives en optimisant leurs performances environnementales et économiques. Nous incluons dans notre méthodologie la possibilité de négociations fonctionnelles, permettant ainsi une optimisation plus libre que pour un produit dont le mix fonctionnel serait figé.

Notre troisième axe de recherche vise à enrichir la méthodologie élaborée dans le deuxième axe. Nous ajoutons notamment à notre méthodologie une modélisation de l’attractivité du produit par rapport au marché visé, basée sur les principes du Quality Function Deployment. Nous améliorons de ce fait l’intérêt de notre méthodologie comme outil d’aide à la conception et d’aide à la décision en permettent une meilleure intégration des objectifs du cahier des charges et de la stratégie d’entreprise.