La commande basée vision : une nouvelle approche pour la commande en boucle fermée des écoulements fluides

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Edmond Rochette
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1 La commande basée vision : une nouvelle approche pour la commande en boucle fermée des écoulements fluides Xuan Quy Dao Christophe Collewet EPC Fluminance Cemagref Rennes / INRIA Rennes Bretagne-Atlantique

Dao Christophe Collewet EPC Fluminance Cemagref Rennes /

2 Plan de la présentation Introduction : la commande basée vision (ou asservissement visuel) La commande des écoulements fluides par asservissement visuel Présentation de l approche Validation dans le cas de l écoulement de Poiseuille 2D Apport de l approche vision i / approches «classiques», 2 cas d études d : Commande de l écoulement de Poiseuille dans le cas instable Minimisation simultanée de la traînée et de la densité d énergie cinétique Conclusions et perspectives p

Apport de l approche vision i / approches «classiques», 2 cas d études d : Commande de l écoulement de Poiseuille dans

3 L asservissement visuel Permet la commande d un système dynamique à l aide d une (ou plusieurs) caméra(s) Système considéré : historiquement un robot But : concevoir de lois de commande en boucle fermée sur des informations extraites des images Lien fort avec la vision par ordinateur et le traitement d images temps réel Domaine d applications de l asservissement visuel Robotique Industrielle Mobile (terrestre, aérienne, marine, sous-marine marine, spatiale) Médicale, pour le handicap Moins typique : réalité augmentée, animation par ordinateur, 3

vision par ordinateur et le traitement d images temps réel Domaine d applications de l asservissement visuel Robotique Industrielle

4 L asservissement visuel en robotique s* + - s Action Perception Nécessite : Choix pertinent de s Expression analytique du lien entre l action et la perception : la matrice d interaction La connaissance de s* Traitement d images à la cadence vidéo 4

analytique du lien entre l action et la perception : la

5 Application à la commande des écoulements But: commande des écoulements en boucle fermée Dispositif de visualisation Extraction du champ de vitesse 2D par calcul du flot optique = mesures denses pour l asservissement visuel approches basées sur la mesure du frottement pariétal en qq points. Choix des informations visuelles (ex: champ de vitesses 2d) Modélisation de la variation des informations visuelles en fonction d une variation du signal de commande = matrice d interaction Conception d une loi de commande 5

6 Validation de l approche : écoulement de Poiseuille 2D Ecoulement simple, très étudié pour comparer approches en boucle fermée, ex: [Joshi, 97 & 99; McKernan, 06; Bewley, 98] Action : par soufflage et aspiration le long des parois Deux cas d application : Relaminariser l écoulement en régime instable (=> turbulent) Minimisation simultanée de la traînée et de la densité d énergie cinétique 6

soufflage et aspiration le long des parois Deux cas d application : Relaminariser l écoulement en

7 Hypothèses Modèle conceptuel de l écoulement dans un canal de longueur finie : écoulement périodique [Joshi, 97 & 99; McKernan, 06; Bewley, 98] Petites perturbations / du régime stationnaire linéarisation Action par variations des conditions limites Changement de variables + projection sur des bases orthogonales Système instable Re = [Orzag, 71] (pour un nombre d onde ) = 1 7

stationnaire linéarisation Action par variations des conditions limites Changement de variables

8 Résultats #1 : estimation de l état par vision Cas idéal (bonne estimation de l état, pas de bruit de mesure, commande LQG) Champ de vitesse 8

9 Estimation de l état (pour la commande) Evolution du système linéarisé : Loi de commande : Estimation LQE (utilisation d un observateur) [Joshi, 99; McKernan, 06; Bewley, 98] shear stress Estimation de l état létatbasée vision [TSPF 11 11, IFAC 11 11, IJFC 11] Approche robuste au bruit de mesure, ne dépend pas de l état initial 9

Bewley, 98] shear stress Estimation de l état létatbasée vision [TSPF 11 11, IFAC

10 Résultats #2: comportement du système bouclé Carré de la norme du signal de commande cas idéal App. Classique + erreur d inititalisation App. classique + bruit App. vision + bruit 10

11 Résultats #3: comportement du système bouclé Densité d énergie cinétique de la perturbation : conséquence d une mauvaise initialisation App. basée vision App. classique + erreur d initialisation 11

12 Minimisation de la traînée et de la densité d énergie cinétique Position du problème : exploiter pleinement les degrés de liberté commandés (2 dans le cas de l écoulement de Poiseuille) Approche classique : les 2 degrés de libertés sont utilisés pour la diminution de la densité d énergie cinétique [Bewley, 98; Aamo, 02; McKernan, 06] OU pour la minimisation de la trainée [Joshi, 97; Cortelezzi 98] Utilisation de l asservissement visuel partitionné [Corke & Hutchinson, ITRA 01] => Minimisation simultanée de la traînée ET de la densité d énergie cinétique 12

énergie cinétique [Bewley, 98; Aamo, 02; McKernan, 06] OU pour la minimisation de la trainée [Joshi, 97; Cortelezzi 98] Utilisation de l

13 Principle de l asservissement visuel partitioné [Travaux soumis à ACC 12, CIFA 12, AIAA FCC 12] On veut minimiser deux critères J 1 = f (x(t),u 1 (t),u 2 (t)) J 2 = g(x(t),u 1 (t),uu 2 (t)) On impose un comportement désiré pour J 1 On re-exprime &J 1 = h 1 (t) u 1 (t) = f (x(t),u 2 (t), h 1 (t)) J 2 = g (x(t), h 1 (t),uu 2 (t)) On impose un comportement désiré pour J 2 &J 2 = h 2 (t) u 2 (t) = g (x(t), h 1 (t), h 2 (t)) u 2 étant connu, on en déduit u 1 13

J 1 On re-exprime &J 1 = h 1 (t) u 1 (t) = f (x(t),u 2 (t), h 1 (t)) J 2 = g (x(t), h 1 (t),uu 2 (t)) On impose un

14 Comparaisons de notre approche avec la littérature Traînée Densité d énergie cinétique PVS : notre approche LQR 1 : McKernan et al., 07 LQR 2 : Cortelezzi et al., 98 P : Joshi et al., 97 14

15 Conclusions et perspectives Conclusions : Validation de l approche par utilisation d informations visuelles dans un schéma de commande en boucle fermée Travaux futurs à court terme Résultats à valider avec un solveur des équations de N-S Autre type d écoulements ex : perturbation permanente (spatiale) Validation sur une plate-forme expérimentale 15

court terme Résultats à valider avec un solveur des équations de N-S Autre type d

16 Merci de votre attention EPC Fluminance Cemagref Rennes / INRIA Rennes Bretagne-Atlantique

17 Résultats #1: estimation de l état 17

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