Reconnaissance aviaire et scène bioacoustique sous-marine embarquées

Marion Poupard (janv. 2018)

 

Financement : LPO et Université de Toulon

Encadrement : Hervé GLOTIN (LIS), Thierry SORIANO
et Thierry LANGAGNE (CNRS)

 

L’équipe de H. Glotin du laboratoire LSIS a développé un capteur à fort niveau d’intégration physique, de grande bande passante et de haute dynamique avec lequel des études de reconnaissance sonore d’animaux et certaines classifications ont déjà été menées avec succès. Cette thèse propose dans un premier temps d’interroger des données décrites par des ontologies pour améliorer la reconnaissance bioacoustique dans les paysages acoustiques. Ces métadonnées écosystémiques seront traitées et intégrées dans la reconnaissance acoustique par la thésarde sur la plateforme RDF / Metadata dédiée veille environnementale. Cette plateforme, simple d’usage, permettra d’inférer les metadata et données d’indexation acoustique par les moteurs et les ressources du web (billards de données RDF, météo, écosystème, migration, activités anthropiques…).
Dans un second temps, les travaux de recherche de Marion Poupard en liaison avec le laboratoire Cosmer seront centrées sur, d’une part l’intégration physique et logicielle du capteur spécifique développé par le laboratoire LSIS pour l’analyse de certaines populations animales sous-marines sur un robot sous-marin type AUV (Autonomous Underwater Vehicle), et d’autre part sur la définition de tâches de suivi environnemental pour les futures campagnes de mesures permises par ce nouveau capteur. Pour la partie de l’intégration physique et logicielle, nous allons explorer les méthodes actuelles liées à l’ingénierie système appliquée aux systèmes mécatroniques. Il existe de nombreux travaux autour du MBSE (Model Based System Engineering) à analyser au travers d’un état de l’art spécifique. L’environnement logiciel de l’AUV est de type Opensource autour du système d’exploitation pour la robotique ROS. Après une période de montée en compétence sur ce système ouvert, la doctorante proposera des algorithmes et des extensions logicielles permettant le contrôle de l’hydrophone embarqué par le robot. Le capteur et son électronique devront faire l’objet d’une étude de conception matérielle d’un compartiment spécifique sous les contraintes liées au domaine marin, notamment il s’agira du système SMIoT JASON déjà développé par l’équipe DYNI. Pour la partie concernant la définition et le pilotage de tâches liées aux campagnes de mesure, il s’agira de déterminer quel type de mode de fonctionnement sera le plus adapté aux besoins , entre le mode de téléopération pure avec contrôle à distance à travers la liaison câblée de l’AUV ou un mode autonome qui peut être également supporté par la carte embarquée sur l’AUV de type Rasberry et JASON.
Il viendra ensuite une phase de mise au point des paramètres de contrôle et de mesures d’abord en bassin puis sur le site marin. Enfin plusieurs séries d’essais de validation devront suivre suivant les objectifs du partenaire industriel BIOSONG, potentiellement en Aquitaine.

Coordination de systèmes sous-marins : vers une méthodologie intégrée orientée objet dans un environnement Opensource

Hoang Anh PHAM (oct. 2017)

Financement : Bourse Ministérielle 

Encadrement : Thierry SORIANO

 

Les Véhicules Sous-marins Autonomes VSA sont de plus en plus utilisés pour l’arpentage d’océans dans les domaines scientifiques. Ils sont amenés à évoluer en groupe.

Le choix d’un schéma d’architecture de commande générique permettant de gérer un ensemble de véhicules coopératifs est d’une importance capitale pour assurer l’interopérabilité des engins.

Dans un schéma décentralisé, le contrôle distribué permet donc une bonne évolutivité et une certaine robustesse. Si une défaillance se produit sur l’un des véhicules, il reste possible de réaffecter la mission sur la flotte restante, ce qui augmente la robustesse vis-à-vis de la mission. Les inconvénients sont à évaluer précisément ; les capacités de calcul disponibles de chaque véhicule peuvent être un facteur limitant pour résoudre des problèmes complexes; les informations disponibles sur d’autres véhicules peuvent être inexactes, incomplètes ou connues avec un retard et donc il existe un risque de collision non négligeable en cas de dysfonctionnement. Le travail proposé dans le cadre de cette thèse explorera en détail la modélisation et la quantification de ces aspects de performance et de robustesse. La conception de lois de commande coopératives exige de prendre en compte le comportement d’un véhicule avec ceux des autres. Pour être plus efficaces, les lois de commande devraient être fondées sur des états actuels et prévus de tous les véhicules. Le comportement global de tels systèmes est donc complexe et sera abordé avec des formalismes hybrides. Il est prévu d’avancer sur des scénarios comportementaux détaillés et sur des algorithmes de commande coopérative dédiés à la coordination pour des missions de surveillance, simulés dans un première temps puis implantés.

La réutilisation, la modularité et la spécialisation sont autant d’éléments à associer à la production d’une nouvelle application et sont un point fort des approches objet. Il sera nécessaire d’écrire des règles de personnalisation et de réutilisation des éléments de commande coopérative développés au laboratoire dans des travaux récents. En effet, ce sont des points que nous avons explorés pour le cas d’un seul VSA étudié avec une méthodologie orientée-objet et que nous souhaitons réutiliser et étendre dans un cadre de l’ingénierie système à une collaboration de VSA en environnement Opensource.

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.

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.