Nonlinear control and visual guidance of underwater vehicles - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2019

Nonlinear control and visual guidance of underwater vehicles

Contrôle non linéaire et guidage visuel de véhicules sous-marins

Résumé

Recent advances in technology have led to a growing interest in underwater robotic applications.Historically, payload constraints have severely limited the development of scale-model underwatervehicles. They are small; their dynamics are highly nonlinear, subjected to complex and imprecisehydrodynamic effects and to disturbances commensurable with the control actions. Consequently, theyprovide an ideal testing ground for sophisticated nonlinear control techniques. Classical controltechniques applied to these vehicles seem to be inadequate in dealing with their highly nonlineardynamics, model uncertainties and external disturbances. Another key arising issue is the difficulty ofnavigation in cluttered environments and close to obstacles without precise positioning with respect tothe environment and without velocity measurements.In the present thesis, two research topics have been considered. Firstly, two novel dynamic visualservoing controllers exploiting the so-called homography matrix for fully-actuated vehicles (withoutmeasuring the linear velocity) have been proposed. These two approaches are derived for two differentcamera configurations: downward-looking and forward-looking. The key contribution here is thenon-requirement of costly Doppler Velocity Log (DVL) velocity sensor. The control performance hasbeen validated over simulations and via practical trials in a real challenging environment. Theexperimental platform as well as the software was built over the period of the thesis. Secondly, a noveltrajectory tracking algorithm for a class of underactuated vehicles with axisymmetric slender body hasbeen developed. The proposed approach makes use of a new nonlinear dynamic model of the vehicle,and exploits the symmetry of the vehicle in control design. The control performance and its robustnesshave been validated via simulations using a realistic model of an underwater vehicle.
Les récents progrès technologiques ont suscité un intérêt croissant pour les applications robotiques sous-marines. Historiquement, les contraintes liées à la charge utile ont fortement limité le développement des véhicules sous-marins à modèle réduit. Ils sont petits, leur dynamique est très non linéaire, soumis à des effets hydrodynamiques complexes et imprécis et à des perturbations proportionnables aux actions de contrôle. Par conséquent, ils constituent un terrain d'essai idéal pour les techniques de contrôle non-linéaire sophistiquées. Les techniques de contrôle classiques appliquées à ces véhicules semblent inadéquates pour faire face à leur dynamique hautement non-linéaire, aux incertitudes des modèles et aux perturbations externes. Une autre question clé qui se pose est la difficulté de la navigation dans des environnements encombrés et à proximité d'obstacles sans positionnement précis par rapport à l'environnement et sans mesure de vitesse. Dans la présente thèse, deux sujets de recherche ont été considérés: 1)Deux nouveaux schémas de contrôle par asservissement visuel dynamique (sans mesure de la vitesse linéaire) pour les véhicules sous-marins complètement actionnés ont été proposés. Ces deux contrôleurs ont été développés pour deux configurations différentes de la caméra : pointant vers le bas et vers l'avant. La principale contribution ici est de s’en passer du coûteux capteur de vitesse (DVL) utilisé pour mesurer la vitesse linéaire. Les performances des deux algorithmes de contrôle ont été validées par des simulations et via des essais pratiques dans un environnement très difficile. La plateforme expérimentale ainsi que le logiciel de développement a été conçue sur la période la thèse. 2)Nous avons proposé un nouvel algorithme de poursuite de trajectoire pour une classe de véhicules sous-déclenchés ayant une forme axisymétrique allongée. La méthode proposée utilise un nouveau modèle dynamique non linéaire du véhicule et exploite la symétrie du véhicule pour la synthèse de la conception des commandes. La performance de la loi de contrôle élaborée et sa robustesse ont été validées via des simulations en utilisant un modèle réaliste d'un véhicule sous-marin.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03092317 , version 1 (02-01-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03092317 , version 1

Citer

Lam Hung Nguyen. Nonlinear control and visual guidance of underwater vehicles. Automatic. COMUE Université Côte d'Azur (2015 - 2019), 2019. English. ⟨NNT : 2019AZUR4095⟩. ⟨tel-03092317⟩
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