Bouclier acoustique pour robot d'exploration karstique - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

An acoustic shield for karstic exploration with underwater robot

Bouclier acoustique pour robot d'exploration karstique

Résumé

The exploration of submerged karst networks by underwater robots requires the development of specific equipment such as an acoustic obstacle detection system to ensure the safety of the robots against any collision, to help it to navigate and to collect data for the mapping of the caves. The confined nature of the environment, its complex walls and the turbidity of the water are constraints that have made commercial underwater systems unsuitable. Therefore, it was necessary to develop our own system: the acoustic shield. In parallel, in order to collect information on the water quality during the exploration, we studied the feasibility of a system of characterization of the turbid waters by acoustic attenuation measurement at different frequencies from 1.5 MHz to 16 MHz. This second system will be also a complement to the acoustic shield by informing it on the level of turbidity, so that the detection system can know its effective detection range. Therefore, we have studied and developed two systems. For the system of characterization of suspended sediments, we made the choice of a simplified theoretical model. We proceeded to characterize different types of sediments by proposing a simplified experimental approach for which the results showed an efficiency in the estimation of the size and concentration of suspended sediments. For the obstacle detection system, we designed and developed all the data acquisition system including sensors, signal conditioners and microcontroller integrating an algorithm for sensor management and reconfiguration, based on a real-time operating system in order to make the system autonomous and intelligent. We tested this acoustic detection system with different sensor distributions in front of irregular rocky surfaces, similar to karst walls. The results showed a high capacity of adaptation of the system to the morphological variations. Moreover, it was able to ensure an almost total coverage of the tested area ranging from 0.25 m to 1.5 m with an angular range from -7.5° to +7.5°.
L'exploration des réseaux karstiques immergés par des robots sous-marins nécessite le développement d'un équipement spécifique qui sera en mesure de faire face aux fortes contraintes de l'environnement. Le robot doit être doté d’un système acoustique de détection d’obstacles qui assurera sa sécurité contre toute collision, qui l'aidera à la navigation et qui collectera des données pour la cartographie des grottes. L’aspect confiné du milieu, ses parois complexes et la turbidité de l’eau sont des contraintes qui ont rendu donc nécessaire de développer un système dédié : le bouclier acoustique. En parallèle, dans le but de collecter des informations sur la qualité de l’eau au cours de l'exploration, nous avons étudié la faisabilité d’un système de caractérisation des eaux turbides par mesure acoustique. Ce deuxième système servira également comme complément au bouclier acoustique en l'informant sur le niveau de turbidité, afin que le système de détection puisse connaitre ses limites de portée. Nous avons donc mené un travail d’étude, de recherche et de développement de deux systèmes. Pour le système de caractérisation des eaux turbides, plus précisément les sédiments en suspension, nous avons développé un système de mesure du coefficient d'atténuation à des fréquences allant de 1,5 MHz à 16 MHz. Nous avons ensuite procédé à des essais de caractérisation avec des billes de verre de 45 µm à 200 µm de diamètre, de la poudre d'argile tamisée à 40 µm et des sédiments karstiques, en ajustant les mesures avec un modèle théorique spécialement sélectionné. Les résultats ont montré une efficacité dans l’estimation de la taille et de la concentration des sédiments en suspension. Pour le système de détection d’obstacles, nous avons conçu et développé la chaîne instrumentale du système en allant des capteurs jusqu'à la donnée valide de la distance. Cela a été fait par l'intermédiaire d'une électronique de conditionnement de signal et d'un microcontrôleur intégrant un algorithme de gestion de capteurs et de reconfiguration par le biais d'un système d'exploitation temps réel, afin de rendre le fonctionnement du système autonome et intelligent. Nous avons testé ce système de détection acoustique avec deux différentes répartitions de capteurs fonctionnant à 1 MHz, face à des parois rocheuses irrégulières représentatives des karsts. Les résultats ont montré une haute capacité d’adaptation du système en fonction des variations morphologiques. De plus, il a pu assurer une détection quasi totale dans la zone testée, qui allait de 0,25 m à 1,5 m avec une plage angulaire allant de -7,5° à +7,5°.
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ALARAB_2021_archivage.pdf (16.78 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03442894 , version 1 (23-11-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03442894 , version 1

Citer

Mohammad Alarab. Bouclier acoustique pour robot d'exploration karstique. Acoustique [physics.class-ph]. Université Montpellier, 2021. Français. ⟨NNT : 2021MONTS042⟩. ⟨tel-03442894⟩
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