MODรLISATION NON LINรAIRE
CONTEXTE DโรTUDE ET CHOIX ARCHITECTURAUX
Historique
Les premiers drones sous-marins furent construits pendant le premier quart du XXe siรจcle. Il sโagissait en fait de simples torpilles sous-marines reconfigurรฉes de maniรจre autonome avec un pilote automatique basique. Pendant la seconde guerre mondiale, le domaine sous-marin ne se dรฉveloppa pas aussi vite que le secteur aรฉrien. Les phรฉnomรจnes hydrodynamiques complexes รฉtaient peu connus, mal contrรดlรฉes, et les forces armรฉes utilisaient beaucoup plus lโaviation comme une force destructrice rapide et massive. La guerre sous-marine est toujours restรฉe dans lโombre, et elle est connue du grand public que lorsque les dossiers confidentiels deviennent publics. La guerre froide a accรฉlรฉrรฉ le perfectionnement des รฉtudes sous-marines. Au dรฉbut des annรฉes 1970, lโUniversitรฉ de Washington et le MIT [1] construisaient leurs premiers drones sous-marins dans leurs laboratoires de recherche. Dans le mรชme temps, lโex-URSS dรฉveloppait de nouvelles technologies dont certaines sont encore tenues secrรจtes de nos jours. De 1970 ร 1980, environ une dizaine de vรฉhicules sous-marins diffรฉrents ont รฉtรฉ fabriquรฉs et testรฉs par des universitรฉs, des organismes dโรฉtat ou des forces armรฉes [1]. Ce domaine a connu un essor plus important avec une diversification de ses champs dโapplication vers la fin des annรฉes 1980 (Figure 1.1) [1] . Au dรฉbut de lโhistoire, les drones รฉtaient essentiellement militaires, mais le secteur civil sโintรฉressa de plus en plus aux avantages substantiels quโils pouvaient apporter. Ces vรฉhicules, restant coรปteux ร lโรฉpoque, nโont connu leur vรฉritable essor quโร partir des annรฉes 2000 (Figure 1.2) [1] et ont รฉtรฉ utilisรฉs pour plus dโapplications civiles. Ils sont utilisรฉs aussi bien pour la recherche scientifique sous-marine que pour lโimplantation et lโentretien dโinstallations sous-marines ou immergรฉes.
Classification des drones et des domaines dโutilisation
Dans cette รฉtude, il faut bien diffรฉrencier les drones marins. Il y a les drones de surfaces et les drones sous-marins. La dรฉnomination ยซ drone de surface ยป correspond aux bรขtiments et vaisseaux autonomes qui naviguent sur les ocรฉans et les mers. En aucun cas, ces navires ne peuvent plonger ou effectuer une quelconque activitรฉ sous le niveau de la mer. La classification ne porte que sur les drones sous-marins. Cette distinction faite, les vรฉhicules, communรฉment appelรฉs UUV (Unmanned Underwater Vehicles) sont classรฉs suivant six principales catรฉgories :
โข Les AUV (Autonomous Underwater Vehicles) [3] : une ou plusieurs missions leur sont confiรฉs avant leur immersion ou ร la surface de lโeau par communications radio. Une fois leur mission enregistrรฉe, ce type de drone est complรจtement autonome. Leur type de mission est vaste. Dโune part, par leur autonomie de dรฉplacement, ces engins sont les plus souvent utilisรฉs pour des missions conventionnelles en mer. Dans le secteur militaire, ces engins dรฉtectent les mines sous-marines, cartographient des zones ennemies et identifient des vaisseaux ennemis, quโils soient en surface ou immergรฉs. Pour les applications civiles, ces drones rรฉcoltent des donnรฉes dโรฉtudes ocรฉaniques
(salinitรฉ, courants marins, tempรฉrature, faune, flore,โฆ) et cartographient les fonds marins. Ils reprรฉsentent un รฉlรฉment important de la durรฉe de vie des installations industrielles sous-marines (implantation, surveillance, entretien, maintenance,โฆ).
โข Les MUV (Micro Autonomous Vehicles) [4] : ces drones sont qualifiรฉs de drones miniatures. Ces vรฉhicules servent ร lโinspection de canalisations dโolรฉoducs, de gazoducs et de coques de navires. Ils sont utiles dans les endroits escarpรฉs oรน des drones de la catรฉgorie prรฉcรฉdente ne peuvent pas se dรฉplacer.
โข Les SAV (Solar-powered Autonomous Vehicles)) [5] : ces drones, en moins grand nombre que les prรฉcรฉdents, proviennent de dรฉveloppement visant soit une performance dโendurance de trรจs long terme, soit un aspect รฉcologique de leur environnement. Ils ont lโinconvรฉnient de devoir remonter ร la surface rรฉguliรจrement pour recharger leurs batteries.
โข Les AUG (Autonomous Underwater Gliders) : cette catรฉgorie regroupe les drones qui se servent dโune flottabilitรฉ positive pour faire surface et dโune flottabilitรฉ nรฉgative pour plonger. Lโavantage de se servir de la dynamique de la poussรฉe dโArchimรจde permet dโaugmenter considรฉrablement lโendurance. Il nโa donc pas besoin de propulseur pour plonger ou remonter ร la surface. Ces drones, munis dโailes stabilisatrices, servent aux รฉtudes ocรฉaniques car ils peuvent rester des mois en mer et ainsi รฉtudier de vastes superficies.
โข Les BUV (Biomimetic Underwater Vehicles) : ces vรฉhicules sous-marins sโinspirent de la morphologie et des modes de dรฉplacements des animaux aquatiques tels que les raies, les mรฉduses ou encore les pingouins. Ces drones ont des structures flexibles qui permettent de se dรฉplacer et de sโorienter dans leur environnement.
โข Les ROV (Remotely Operating Vehicles) [8] : cette derniรจre catรฉgorie fait partie des drones sous-marins. Cependant, cette classe de vรฉhicules est diffรฉrente des cinq premiรจres dรฉcrites ici, dans le sens oรน ces engins sont pilotรฉs par des opรฉrateurs. Ils ne sont donc pas autonomes dans le sens strict. Leur utilitรฉ est requise pour lโinspection de zone รฉtroite ou escarpรฉe mais oรน lโhomme peut sโen approcher. Contrairement aux MUV, ces drones servent รฉgalement pour la surveillance et lโentretien des coques des navires ou des installations industrielles immergรฉes facilement accessibles.
Selon la classification et des exemples dโutilisation citรฉs ci-dessus, il est possible dโentrevoir la liste des domaines dโemploi des drones sous-marins. Pour une meilleure visibilitรฉ de leur fonction, il est prรฉfรฉrable de scinder le secteur militaire, le secteur civil de recherche et le secteur civil industriel. Pour le domaine militaire :
โข cartographies dรฉtaillรฉes pour lโespionnage, โข dรฉtection et identification des mines sous-marines, โข dรฉtection et identification des navires, des bรขtiments marins et des sous-marins, โข protection des ports militaires et des environnements portuaires, โข lutte anti sous-marine, โข รฉcoute sonar passive (analyse du bruit รฉmis par chaque cible), โข รฉcoute sonar active (analyse du coefficient de rรฉflexion sonore de chaque cible), โข inspection des coques de navires et des sous-marins habitรฉs.
Pour le domaine de la recherche :
โข cartographies des fonds marins, โข รฉtudes ocรฉaniques : salinitรฉ, tempรฉrature, pression, bathymรฉtrie, rรฉflexion de la lumiรจre, microbiologie sous-marine, faune, flore, capacitรฉ dโabsorption du dioxyde de carbone, concentration des รฉlรฉments chimiques, montรฉe du niveau de la mer, โฆ
Pour le domaine industriel :
โข installations des canalisations sous-marines : gazoducs, olรฉoducs, โข rรฉparation et maintenance de canalisations immergรฉes, โข manutention, prรฉhension et soudure ร grande profondeur et haute pression, โข surveillance et entretien des plateformes pรฉtroliรจres (corrosion, fissures), โข dรฉtection de minerai, de gaz naturel et de pรฉtrole sous-marin, โข inspection de coques de navires et de pรฉtroliers.
La NAVY [9] classe les drones sous-marins suivant plusieurs critรจres. Lโun dโentre eux est leur fonction principale. Ces rรดles peuvent sโรฉnumรฉrer ainsi :
โข intelligence, surveillance et reconnaissance,
โข contremesures pour les mines, โข guerre anti sous-marine, โข inspection et identification, โข ocรฉanographie, โข transport de charge et de fret, โข opรฉration de renseignement, โข aide ร la dรฉcision dans la chaรฎne de commandement (time critical strike).
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Table des matiรจres
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 CONTEXTE DโรTUDE ET CHOIX ARCHITECTURAUX
1.1 Historique
1.2 Classification des drones et des domaines dโutilisation
1.3 Hypothรจses dโรฉtudes
1.4 Choix de lโarchitecture
1.4.1 Dimensionnement de la forme extรฉrieure
1.4.2 Choix du mode de propulsion
CHAPITRE 2 MODรLISATION NON LINรAIRE
2.1 รtat de lโart de la modรฉlisation de drone sous-marin
2.2 Dynamique ร six degrรฉs de libertรฉ des solides indรฉformables
2.2.1 รquations des forces en trois degrรฉs de libertรฉ
2.2.2 รquations des moments en trois degrรฉs de libertรฉ
2.2.3 Bilan de la dynamique ร six degrรฉs de libertรฉ dโun drone indรฉformable
2.3 Masses et inerties ajoutรฉes
2.3.1 Signification physique du phรฉnomรจne
2.3.2 Calcul des masses ajoutรฉes par lโapproche รฉnergรฉtique
2.3.3 Bilan des forces et des moments hydrodynamiques de masse et dโinertie ajoutรฉes
2.4 Amortissement hydrodynamique
2.4.1 Amortissement hydrodynamique linรฉaire
2.4.2 Amortissement hydrodynamique quadratique
2.4.3 Bilan des forces et moments dโamortissement hydrodynamique
2.5 Forces de pesanteur et dโArchimรจde
2.6 Forces de propulsion
2.6.1 Thรฉorie de lโhรฉlice
2.6.2 Bilan des forces et moments de propulsion
2.7 Modรฉlisation non linรฉaire du drone sous-marin
CHAPITRE 3 COMMANDE DU DRONE ET SUIVI DE TRAJECTOIRE
3.1 รtat de lโart de la commande
3.2 Mรฉthode de linรฉarisation exacte entrรฉe-sortie et dรฉcouplage par retour dโรฉtat
3.2.1 Thรฉorie mathรฉmatique de la linรฉarisation exacte entrรฉe-sortie
3.2.2 Application au modรจle non linรฉaire du drone
3.3 Contrรดle linรฉaire du suivi de trajectoire
3.3.1 Ajout de la modรฉlisation 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 Intรฉgral du contrรดle des couples et des forces
CHAPITRE 4 RรSULTATS ET DISCUSSION
4.1 Dรฉfinition du parcours de rรฉfรฉrence
4.2 Rรฉsultats
4.2.1 Rรฉsultats de simulation sans bruit de mesure
4.2.2 Rรฉsultats de simulation avec du bruit de mesures
4.3 Limites de lโรฉtude
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
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