Littérature scientifique sur le sujet « Robot sous-marins autonome »

Cette thèse étudie la coordination de robots sous-marins autonomes dans le contexte d’exploration de fonds marins côtiers ou d’inspections d’installations. En recherche d’une méthodologie intégrée, nous avons créé un framework qui permet de concevoir et simuler des commandes de robots sous-marins low-cost avec différentes hypothèses de modèle de complexité croissante (linéaire, non-linéaire, et enfin non-linéaire avec des incertitudes). Sur la base de ce framework articulant plusieurs outils, nous avons étudié des algorithmes pour résoudre le problème de la mise en formation d’un essaim, puis celui de l’évitement de collisions entre robots et celui du contournement d’obstacle d’un groupe de robots sous-marins. Plus précisément, nous considérons d'abord les modèles de robot sous-marin comme des systèmes linéaires de type simple intégrateur, à partir duquel nous pouvons construire un contrôleur de mise en formation en utilisant des algorithmes de consensus et d’évitement. Nous élargissons ensuite ces algorithmes pour le modèle dynamique non linéaire d’un robot Bluerov dans un processus de conception itératif. Nous intégrons ensuite un réseau de neurones de type RBF (Radial Basis Function), déjà éprouvé en convergence et stabilité, avec le contrôleur algébrique pour pouvoir estimer et compenser des incertitudes du modèle du robot. Enfin, nous décrivons les tests de ces algorithmes sur un essaim de robots sous-marins réels BlueROV en environement Opensource de type ROS et programmés en mode autonome. Ce travail permet également de convertir un ROV téléopéré en un hybride ROV-AUV autonome. Nous présentons des résultats de simulation et des essais réels en bassin validant les concepts proposés
This thesis studies the coordination of autonomous underwater robots in the context of coastal seabed exploration or facility inspections. Investigating an integrated methodology, we have created a framework to design and simulate low-cost underwater robot controls with different model assumptions of increasing complexity (linear, non-linear, and finally non-linear with uncertainties). By using this framework, we have studied algorithms to solve the problem of formation control, collision avoidance between robots and obstacle avoidance of a group of underwater robots. More precisely, we first consider underwater robot models as linear systems of simple integrator type, from which we can build a formation controller using consensus and avoidance algorithms. We then extend these algorithms for the nonlinear dynamic model of a Bluerov robot in an iterative design process. Then we have integrated a Radial Basis Function neural network, already proven in convergence and stability, with the algebraic controller to estimate and compensate for uncertainties in the robot model. Finally, we have presented simulation results and real basin tests to validate the proposed concepts. This work also aims to convert a remotely operated ROV into an autonomous ROV-AUV hybrid

Dans le contexte sous-marin, et à l’inverse du capteur sonar qui reste le plus employé à grande distance pour la détection et la classification, la caméra vidéo est efficace à faible portée lors des phases d’approche, de reconnaissance d’objets et d’intervention. Elle dispose en effet d’atouts notables comme une haute résolution, une facilité d’interprétation on encore un faible coût. Aujourd’hui presque tous les véhicules sous-marins scientifiques, industriels ou militaires en sont équipés. Ils sont actuellement plutôt télé-opérés par un opérateur et on y trouve associés des traitements automatiques que très rarement. Ces traitements automatiques sont pourtant des technologies essentielles pour les développements émergents des robots autonomes sous-marins très prisés aujourd’hui dans un contexte d’expansion des marchés liés à la sécurité et à l’exploitation des ressources maritimes. Ces travaux de thèse visent à apporter les innovations nécessaires, et à promouvoir l’emploi du capteur vidéo dans le domaine sous-marin. L’étude proposée concerne le développement des traitements automatiques de reconnaissance d’objets en vidéo sous-marine, avec une attention particulière apportée aux objets manufacturés. Les scènes sous-marines observées sont classiquement plus simples et plus limitées en profondeur d’observation que les scènes urbaines ou que l’intérieur d’un bâtiment. Toutefois, ce contexte présente des difficultés spécifiques telles que les variations d’éclairage et la turbidité de l’eau qui limitent la visibilité et dégradent fortement les images. Ceci a pour conséquence de rendre les traitements difficiles et nécessite donc la création de nouveaux algorithmes de vision robotique
In underwater context, traditional sensing methods like sonar are used at large range for detection and classification of objects. For a few years, the sonar sensor has been complemented by a vision sensor more efficient at short range for the approach, the object recognition and the intervention phases. Indeed, the camera has noticeable advantages like for example high resolution, simple interpretation or low cost. Today, it equips nearly any scientific, industrial or military underwater vehicles. Currently, underwater vehicles are rather distance controlled by a manipulator, and automatic processing is really uncommon. However, automatic processing is an essential technology for the AUV development. These kinds of vehicles are very popular today with the expansion of the market related to the security and the exploitation of the marine resources. This thesis aims at supplying the required advances and promoting the use of video technologies. The proposed study addresses the problem of automatic processing for underwater objects recognition, with a particular focus on man-made objects. Observed underwater scenes are traditionally simpler but more limited in depth than urban scenes or inside building scenes. Nevertheless, this context presents very specific difficulties like lighting variations and water turbidity which limit visibility and degrade considerably images. As a consequence processing is difflcult and require the development of new robotic vision algorithms

Dans ce travail, l’optimisation de la propulsion et de la commande des AUV (Autonomous Underwater Vehicles en anglais) est développée. Le modèle hydrodynamique de l’AUV est examiné. Egalement, son système de propulsion est étudié et des modèles pour des solutions de propulsion différentes (fixe et vectorielle) sont développés dans le cadre de la mobilité autonome.Le modèle et l’identification de la technologie de propulsion dite fixe sont basés sur un propulseur disponible commercialement. Le système de propulsion vectoriel est basé sur un prototype de propulseur magneto-couplé reconfigurable (PMCR) développé à l’IRDL-ENIB.Une méthode de commande non linéaire utilisant le modèle hydrodynamique de l’AUV est développée et son adaptation à deux systèmes de propulsion est présentée. Des analyses portant sur la commandabilité du robot et l’application de cette commande à différents systèmes sont proposées. L’optimisation globale est utilisée pour trouver des topologies propulsives et des paramètres de commande adaptés à la réalisation de tâches robotiques spécifiques. L’optimisation réalisée permet de trouver des solutions capables d’assurer le suivi de trajectoire et de minimiser la consommation énergétique du robot. L’optimisation utilise un algorithme génétique (algorithme évolutionnaire), une méthode d’optimisation stochastique appliquée ici à la conception orientée tâche de l’AUV. Les résultats de cette optimisation peuvent être utilisés comme une étape préliminaire dans la conception des AUVs, afin de donner des pistes pour améliorer les capacités de la propulsion.La technique d’optimisation est également appliquée au robot RSM (fabriqué au sein de l’IRDL-ENIB) en modifiant seulement quelques paramètres de sa topologie propulsive. Cela afin d’obtenir des configurations de propulsion adaptées au cours d’une seule et même mission aux spécificités locomotrices des tâches rencontrées : reconfiguration dynamique de la propulsion de l’AUV
In this PhD thesis, the optimization of the propulsion and control of AUVs is developed. The hydrodynamic model of the AUVs is examined. Additionally, AUV propulsion topologies are studied and models for fixed and vectorial technology are developed. The fixed technology model is based on an off the shelf device, while the modeled vectorial propulsive system is based on a magnetic coupling thruster prototype developed in IRDL (Institut de Recherche Dupuy de Lôme) at ENI Brest. A control method using the hydrodynamic model is studied, its adaptation to two AUV topologies is presented and considerations about its applicability will be discussed. The optimization is used to find suitable propulsive topologies and control parameters in order to execute given robotic tasks, speeding up the convergence and minimizing the energy consumption. This is done using a genetic algorithm, which is a stochastic optimization method used for task-based design.The results of the optimization can be used as a preliminary stage in the design process of an AUV, giving ideas for enhanced propulsive configurations. The optimization technique is also applied to an IRDL existing robot, modifying only some of the propulsive topology parameters in order to readily adapt it to different tasks, making the AUV dynamically reconfigurable

Durant les dernières années, l’imagerie visuelle est de plus en plus utilisée dans le milieu sous-marin, aussi bien comme une aide à la navigation que comme un outil de cartographie permettant l’étude et la surveillance des fonds sous-marins. Ces opérations de surveillance consistent principalement en l’établissement de cartes des fonds sur de larges zones (plusieurs km2). Les contraintes du milieu (grandes profondeurs, faible absorption de la lumière, etc…) imposent comme systématique l’utilisation de robots autonomes (AUVs), et ce à une altitude proche du fond. La carte est alors réalisée en mettant en correspondance les images enregistrées et en les fusionnant : on parle de mosaïques d’images. Les méthodes actuelles de construction de larges mosaïques ne garantissent pas le recouvrement de celles-ci, permettant ainsi l’existence possible de trous. Pourtant, cet enjeu est primordial afin de permettre une observation complète de la zone de mission. C’est dans ce contexte que s’inscrit notre sujet : «Acquisition de mosaïques d’images complètes à l’aide d’un engin sous-marin autonome». Nous développons une stratégie adaptative qui assure le recouvrement de la mosaïque. Nous nous basons sur des trajectoires de type lawnmower et déterminons, à la fin de chaque segment observé, la distance avec le prochain segment. Cette distance dépend de l’incertitude de positionnement du robot. Celui-ci dérivant au cours du temps, il doit régulièrement se repositionner pour ne pas se perdre. En ce sens, les caractéristiques morphologiques de la zone observée vont définir des événements possibles de recalage, au cours desquels le robot va faire une mise à zéro de son erreur. Plus la région observée est texturée, plus le nombre d’événements est élevé, et plus le véhicule est mieux à même de se repositionner. La distance inter-segment sera alors grande. Au contraire, plus la région sera lisse, plus la distance de recouvrement sera faible. Dans notre souci d’optimisation de la distance inter-segment, nous risquons d’être confrontés à des situations de mises en correspondance d’images présentant un faible recouvrement. Les méthodes classiques échouent dans de telles situations car elles forcent les associations entre les localités des images (templates). Nous avons établit une méthode, basée sur la Théorie de l’Information, qui pallie ce problème et prend en compte ces ambiguïtés
During the last years, visual imagery has been more and more used in the underwater environment, as well as an help for navigation than as a tool for cartography allowing the study and survey of seafloors. These operations of survey consist principally in the establishment of maps of the seafloor on large zones (several km2). The constraints of the environment (depth, low absorption of light, etc…) impose as systematic the use of autonomous underwater vehicles (AUV), and this at an altitude close to the ground. The map (image mosaic) is then obtained by matching and fusing the recorded images. The current construction methods of large mosaics do not guarantee the overlap of these ones, leading to the possible existence of holes in the mosaics. However, this stake is high in order to allow the complete observation of the mission zone. It is in this context that we have developed our subject of research : “Acquisition of complete image mosaics with an autonomous underwater vehicle”. We develop an adaptive strategy that ensures the mosaic overlapping. We base our study on lawnmower trajectories and determine, at the end of each observed segment, the distance with the next segment. This distance depends on the robot relative positioning incertitude. This incertitude increasing with the time, the vehicle must recalculate its position frequently in order to not lose itself. The relief characteristics of the observed zone will define possible registration events, for which the vehicle will reset his positioning error. The more the textured region is, the higher the number of events is, and thus the vehicle can better position itself. The inter-track distance is then high. On the contrary, the less the region is informative, the lower the distance is. In our aim of inter-track distance optimisation, we risk to be confronted to low overlap image matching situations. The classical methods fail in such situations because they force the association between image localities (templates). We have established a method, based on Information Theory, that palliates this problem and take into account these ambiguities

Les applications sous-marines actuelles exigent la réalisation de travaux de différentes natures dans des zones de plus en plus vastes et toujours plus profondes. La conception et l'utilisation de flottilles d'AUV dans ce contexte est un véritable challenge. Les bénéfices attendus sontmultiples. Premièrement, cela doit permettre de minimiser les coûts grâce à une répartition de ceux-ci sur l'ensemble de la flottille : la perte d'un AUV ou son mauvais fonctionnement ne remettront pas en cause l'intégralité de la mission. Deuxièmement, l'utilisation d'une flottilledoit de fait permettre de réduire le temps d'exécution d'une mission grâce à la parallélisation de certaines tâches. Enfin, la réalisation d'une mission par une flottille permet de conserver le caractère spécialisé des AUV et donc d'envisager plus facilement leur réutilisation dansd'autres contextes. Cependant, les approches de coopération multi-AUV existantes sont limitées par deux principaux verrous : (1) le nombre de communications induit et (2) la gestion de l'hétérogénéité potentielle d'une flottille.L'approche que nous proposons vise à répondre à ces problématiques.L'idée principale est de combiner une approche de coopération réactive avec une approche organisationnelle. L'approche de coopération réactive permet l'échange des signaux de communication très simples. Cependant, elle ne permet de résoudre que des problèmes de coopération de nature assez restreinte qui concernent essentiellement la coordination spatiale de véhicules homogènes. La première contribution de cette thèse est l'extension de l'approche satisfaction-altruisme. Un nouveau mécanisme décisionnel réactif, capable de considérer des actions coopératives de diverses natures, est proposé. La deuxième contribution consiste à spécifier les contextes d'interactions réactives à l'aide d'une approche organisationnelle. Le modèle organisationnel Agent/Groupe/Rôle est utilisé pour avoir une représentation explicite de l'organisation de la flottille. Les concepts de groupe, mais surtout de rôle, sont employés dans l'adressage des signaux de communication et permettent la mise en oeuvre d'interactions hétérogènes avec une grande modularité. L'ensemble est intégré dans une nouvelle architecture logicielle, appelée REMORAS, destinée à équiper des véhicules sous-marins autonomes. Une validation de la faisabilité de notre approche est proposée à l'aide d'une simulation de plusieurs scénarios mettant en jeu des AUV hétérogènes
Underwater marine applications are nowadays branching into various fields covering larger and deeper zones. Performing the required tasks with the aid of AUV flotillas is a real challenge. However, the advantages of using such a new technology are numerous. Firstly, this would highly reduce the cost of the mission thanks to the distribution of this former among the various AUV: the loss of one AUV or its bad functioning will not degrade the performance of the flotilla in general. Secondly, the use of a flotilla reduces the execution time of a mission given the parallelization of certain tasks. Finally, any mission can be accomplished by the flotilla by taking into consideration the specificity of each AUV. In fact, each of these vehicles holds different characteristics rendering the global architecture heterogeneous and therefore applicable in different contexts. However, the methods concerned with multi-AUV cooperation are hindered by two main limitations: (1) the number of communications induced and (2) the management of the heterogeneity in the flotilla.The proposed approach aims at responding to these challenges. The principal idea is to combine this reactive cooperational approach with an organizational one. The reactive cooperational approach allows the exchange of simple communication signals. However, it does not help in solving the problems of cooperation that are very constrained and that mainly concern the spatial coordination of homogeneous vehicles. The first contribution in this thesis is the extension of the satisfaction-altruism approach. A new reactive decisional mechanism capable of considering the cooperative actions of various natures is proposed. The second contribution consists in specifying the context of reactive interactions based on an organizational approach. The organizational model Agent/Group/Role is used in order to have an explicit representation of the flotilla. The concepts of "group" and especially "role" are used in the attribution of the communication signals allowing the accomplishment of heterogeneous interactions with a big modularity. A new concept is therefore born and is integrated in a new software architecture called REMORA intended to equip autonomous underwater vehicles. This proposed new method has been validated through various numerical simulations in different scenarios putting at stake heterogeneous AUV

S’intéresser à des robots autonomes en milieu sous-marin implique de travailler sur des systèmes complexes, évoluant dans des environnements changeants ou inconnus, en réagissant aux événements qui s'y produisent selon un comportement base sur l'évaluation de circonstances. La saisie d'une expertise, rassemblant et structurant la connaissance disponible, est un préalable nécessaire à toute étude visant à comprendre les mécanismes responsables des changements d'état du système. Pour maitriser la complexité d'un système hybride complexe, une approche méthodologique faisant appel au principe de causalité est proposée, permettant l'analyse et la modélisation des interactions au sein du système, qui apparaissent, varient et disparaissent suivant le contexte. Après avoir constate l'inadéquation des outils de modélisation standards face aux aspects discrets et continus du système, nous proposons un modèle exprimant toutes les situations possibles par une ossature séquentielle formalisée par le GRAFCET. Le comportement du système est alors analysé sous forme de relations causales entre des grandeurs caractéristiques de son état. Pour préparer les informations indispensables a la mise en œuvre du modèle, nous présentons une méthode comprenant un assistant logiciel et s'appuyant sur une représentation matricielle issue de la théorie des graphes. Afin d'illustrer cette approche, une application à la modélisation comportementale d'un véhicule sous-marin autonome est présentée. Elle met en évidence l'intérêt du modèle causal, non seulement pour aider a la conception d'un tel véhicule, mais encore pour établir un diagnostic sur son fonctionnement.

L'objectif de cette thèse, en collaboration avec une équipe de biologistes de Marbec, est de développer un système robotisé semi-autonome pour l’observation des espèces marines. Pour cela, ce système devra effectuer les protocoles biologistes connus ainsi que de nouveaux protocoles tout en démontrant son efficacité par rapport à un plongeur. Pour réaliser correctement les protocoles, nous avons développé les lois de commande associées ainsi qu'un système de gestion de mission pour permettre la construction, la validation formelle et l'exécution d'une telle mission. Enfin, pour répondre à la problématique de faisabilité de l'observation par un robot, nous avons mené les expérimentations à Mayotte
The goal of this thesis, in collaboration with a biologists team of Marbec, is to develop a semi-autonomous robotic system for marine species observation. For this, this system will have to perform the known biologist protocols as well as new protocols while proving its effectiveness compared to a diver. To achieve the protocols, we have developed the associated control laws and a mission management system to allow the construction, the formal validation and the execution of a mission. Finally, to answer the problem of feasibility of observation by a robot, we conducted the experiments in Mayotte