Commande Passive pour la Téléopération d’un Véhicule à Distance

01/08/2016
Publication e-STA e-STA 2010-2
OAI : oai:www.see.asso.fr:545:2010-2:17188
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Commande Passive pour la Téléopération d’un Véhicule à Distance

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	    <date dateType="Created">Mon 1 Aug 2016</date>
	    <date dateType="Updated">Mon 1 Aug 2016</date>
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Abstract— Dans cet article, un régulateur bilatéral pour le pilotage d’un véhicule à distance est présenté. Il permet d'assurer la passivité du système de téléopération malgré la présence de retards de communication entre le maître et l'esclave et des facteurs d'échelle. Ce contrôleur a été implémentée sur une interface JAVA permettant ainsi la communication internet via une connexion de type UDP des modèles maître et esclave situés chacun sur des ordinateurs distants. Des résultats expérimentaux montrent l'efficacité du contrôleur bilatéral proposé. Index Terms-Téléopération, passivité, variables d’ondes I. INTRODUCTION Les systèmes de téléopération permettent à un opérateur humain (maître) de manipuler des robots (esclave) dans un environnement confiné, dangereux ou inaccessible à partir d’un site distant. Les applications concernent le pilotage des véhicules à distance est très utilisé le domaine militaire, et surtout dans deux secteurs comme le déminage et la reconnaissance de zone et pour la gestion de parking. En effet, on peut ainsi commander des robots (véhicules), dans des situations critiques permettant à l’opérateur de ne plus être en contact avec le danger tout en effectuant son travail de désamorçage des charges explosives. Dans le cas de parking, l’opérateur, peut gérer et déplacer la voiture depuis son poste de surveillance. Dans les mines souterraines, les opérateurs d'équipements travaillent souvent dans des conditions qui peuvent se révéler dangereuses pour leur santé et leur sécurité. En plus d'effectuer une tâche répétitive, qui comporte des risques d'accidents graves, ils font face à un environnement souvent hostile: bruit, poussières, vibrations, fumée d'échappement, chocs répétés, etc., lorsqu'ils sont dans leurs machines. Les chercheurs se sont concentrés sur l'automatisation des chargeurs transporteurs en faisant appel à deux technologies adaptées au cycle d'opération de ces équipements: la téléopération du véhicule dans la zone de chargement et son guidage automatique lors du transport et au point de déchargement. Dans la plupart de ces applications, les sites maître et esclave sont séparés par une longue distance et communiquant à travers un support Internet. Des retards de communication variable sont alors inévitables créant ainsi de fortes instabilités dans le retour d’effort de la chaîne de téléopération. De plus, compte tenu de la diversité des véhicules à manipuler et l’état de l’environnement (à savoir l’état de la route), une forte variabilité des facteurs d’échelle en position et en force se manifestent ou apparaissent. Une panoplie de travaux recensée sur la téléopération des système robotique [1],[2],[3],[4],[5],[6],[7] et micro-robotique [9] est ainsi consacrée à la à l'étude de la stabilité et la robustesse en utilisant plusieurs stratégies de commande classique et avancée ( H infini, µ synthèse, mode glissant, prédictive,…etc.). Mais cependant peu de travaux de recherche sur la problématique de téléopération des véhicules avec la présence concomitante des retards de communication et des facteurs d’échelles. Néanmoins, on peut citer quelques travaux [10] [11] où on a proposé respectivement une interface de contrôle pour la téléopération de véhicule et un contrôle collaboratif sans prendre en considération des retards de communication ayant un effet déstabilisant sur le système. Une autre approche, développée par [12] qui consiste à utiliser des commandes robustes de type ∞H . Pour la synthèse de cette loi de commande, des modèles linéaires pour le maître et l’esclave ont été utilisé en prenant en compte aussi bien les critères de performances (suivi de la trajectoire) et les critères de robustesse. C'est ainsi que le retard dû au temps de transmission entre le maître et l'esclave est modélisé comme une incertitude multiplicative inverse et sans prendre en compte les facteurs d’échelle et prendre l’état de la route en considération. L’inconvénient de cette approche réside dans l’ordre de correcteur qui est toujours élevé et rendant ainsi son implémentation en pratique assez contraignante d’une part et d’autre part le choix des fonctions des pondérations qui n’est pas souvent évident. Pour y remédier à inconvénient, on propose une approche basée sur la passivité où la synthèse de contrôleur est relativement simple. Dans ce présent papier, nous proposons la synthèse d'un contrôleur bilatéral qui assure la passivité du bloc de communication. Celui-ci prend en compte des retards de communication et des facteurs d'échelle. Le développement de ce régulateur s'effectue dans le domaine des variables d'ondes. Ceci permet une plus grande souplesse pour assurer la passivité en présence de retards même si le problème de transparence et de facteurs d'échelle restent plus compliqués. L’article est structuré organisé de la manière suivante : dans la seconde partie, le système de téléopération considéré ainsi que les transformations en variables d'ondes sont présentés. Suivant [13], nous rappelons les théorèmes utilisés pour nos démonstrations. Dans la partie suivante, nous nous intéressons à la passivité du système de téléopération en présence de retards et de facteurs d'échelle variant avec l'environnement. Nous proposons alors une commande dans le domaine des variables d'ondes. Enfin dans la partie 3, une interface java est développée et des résultats expérimentaux permettent M. Boukhnifer, A. Chaibet et C. Larouci Laboratoire Commande et Systèmes, ESTACA, 34-36 rue Victor Hugo, 92 300 Levallois-Perret, France {mboukhnifer, achaibet, clarouci }@estaca.fr Commande Passive pour la Téléopération d’un Véhicule à Distance e-STA copyright 2010 by see Volume 7, N°2, pp 16-21 d'illustrer notre technique via une connexion internet. II. PASSIVITE D’UNE CHAINE DE TELEOPERATION D’UN VEHICULE A. Système de commande d’un véhicule à distance : Le système de pilotage d’un véhicule de la figure 1 est constitué d’une interface haptique Pm(s) (maître), sur laquelle un opérateur humain applique une force fh et d’un véhicule (esclave) Ps(s), interagissant avec l’environnement via une force fe. L’architecture de contrôle peut être représentée par le schéma de la figure 2 avec des retards de communications variables e-T1 , e-T2 et des facteurs d’échelles fixes en position np et en force nf. On rappelle que notre application de téléopération est dédiée au pilotage à distance d’un véhicule, où la partie maître constitue un volant à retour d’effort reflétant la dynamique transversale d’un véhicule. La partie esclave représente le véhicule avec son interaction avec l’environnement extérieur (contact pneumatique/chaussée). Cet environnement qui incertain par le fait que ce contact dépend énormément du type et de l’état du revêtement de la chaussée mais aussi du vieillissement, de la température du pneu et de la rugosité des surfaces. L’intérêt d’une telle application est la prise en compte du retard de communication et des facteurs d’échelle pour montrer l’interaction du véhicule avec son environnement extérieur dont il évolue à savoir la route. Cette dernière est sujette à des changements d’état (adhérence maximale pour une route sèche et adhérence faible correspond à une chaussée glissante). Fig.1 : Plate-forme de téléopération [12] La position transmise par l’interface maître est considérée comme référence xsd pour le véhicule xs telle que spm xnx = . La force d’interaction avec l’environnement fe est retournée à l’opérateur comme référence pour l’interface haptique fh tel que efh fnf = . Les fonctions de transfert du maître Pm(s) et de l’esclave Ps(s) (modèle longitudinal de véhicule) sont données comme suit [12] : ( ) ( ) sss s mmm m bsksm sP bsksm sP ++ = ++ = 22 11 (1) Où : mm , ms représentent la masse du maître et de l’esclave; km , ks les coefficients de raideur et bm, bs les coefficients de viscosité . L’architecture bilatérale de la figure 2 peut être considérée comme la connexion en parallèle de trois blocs Gm, Gs et K. On suppose que les blocs Gs et Gm sont passifs; Gm définit le maître avec sa commande à retour d’effort en présence d’opérateur humain passif. Gs est L’esclave avec sont contrôleur Ks et l’environnement passif Ze. Afin de démontrer la passivité de l'ensemble du système, il est nécessaire de prouver la passivité de la communication bloc K à l'égard de retard (T1, T2) et les facteurs d'échelle (Kp, Kf). Pour cela, on va utiliser le concept de variable d’onde variable donnée [5] et la définition de dissipativity de [13] pour s démontrer que le formalisme de la variable d’onde donné sur la figure 3 est passif. Fig.2 : Architecture bilatérale d’un système de téléoparation d’un véhicule Fig.3 : Formalisme en variables d’onde d’après [5] Tout d’abord, définissons la puissance de transfert parcourant le canal de transmission comme étant: e T em T min FxFxP && −= (2) où em xx .. et sont les vitesses respectives de l’interface haptique (volant) et du véhicule. Les variables d’ondes ( emem vu ,, ; ) sont calculées à partir des paramètres de puissance ( emem Fx , . , . ; ) par les transformations suivantes : e-STA copyright 2010 by see Volume 7, N°2, pp 16-21         − = − = + = + = b Fxb v b Fxb v b Fxb u b Fxb u ee e mm m ee e mm m 22 22 .. .. (3) où b est une constante positive représentant l’impédance caractéristique de la ligne de transmission. Le choix de cette valeur est important car il est directement lié à l’adaptation du contrôleur bilatéral avec les terminaisons (interface haptique- opérateur et véhicule -environnement), ceci afin d’éviter toute réflexion des ondes. Les nouvelles variables obtenues sont appelées variables d’ondes représentatives d’une puissance d’entrée et de sortie. La puissance de transfert, peut être réécrite sous la forme: )( 2 1 e T ee T em T mm T me T em T min uuvvvvuuFxFxP −+−=−= && (4) Au niveau des deux sites volant et colonne de direction (reflétant la dynamique tranversale du véhicule) et le véhicule , les paramètres de puissance ( ), ,, . emem Fx sont transformés en variables d’onde ( emem vu ,, , ). Au niveau des deux sites maître et esclave, les paramètres de puissance ( ), ,, . emem Fx sont transformés en variables d’onde ( emem vu ,, , ). B .Passivité de la partie maître En général, lorsque l'opérateur réalise une tâche en utilisant un système téléoperation, nous supposons aussi que l'opérateur ne rend pas le système global instable et en outre, l'opérateur est passif contre toute entrée externe [9]. Il en déduit que la partie maître avec sa commande locale à retour d’effort PI ( s mk mm kk 2 1 += ) soit passive vis-à-vis l'opérateur humain lorsque le valeurs de la commande sont choisies de manière adéquate dans le but de rendre la dynamique du maître passive. C. Passivité de la partie commande (contrôleur) Comme il a été mentionné dans [14], les facteurs d’échelle de force et de position ont été considérés comme une violation de la condition de passivité. Afin de démontrer la passivité du système de téléopération en présence de ces facteurs d’échelle kp et kf ; nous réécrivons ces contraintes dans l’espace des variables d’onde dans le but de trouver les conditions adéquates assurant la passivité. Les facteurs d’échelle sont présentés par des gains kp et kf     = = efm mpe FkF xkx .. (5) Pour tout système exprimé dans l’espace des variables (vitesse, force) ( )Fx,& , il peut être écrit dans les variables d’onde permettant de convertir la dimension des facteurs d’échelle d’un domaine à un autre. Considérons le contrôleur bilatéral exprimé dans l’espace d’ondes (voir figure 4) où A, B, C, D, présentent les facteurs d'échelle kp kf dans le domaine d’onde en présence du retard de communication (T). D'après le diagramme équivalent de la figue 4, les facteurs d'échelle peuvent être exprimés comme suit:       ⋅      =      e m m e v u DC BA v u (6) Fig.4: Schéma équivalent en variables d’ondes pour la position, force et facteurs d’échelle d’où :    += += emm eme DvCuv BvAuu (7) En remplaçant ex . et eF dans l’équation (3) on obtient la matrice de transformation en variables d’ondes suivante : eme v NN NN u NN N u 1 1 )1( 2 21 21 21 1 + − + + = emm v NN N u NN NN v 21 2 21 21 1 2 1 1 + + + − = (8) soit : )1( 2 21 1 NN N A + = , )1( 1 21 21 NN NN B + − = )1( 1 21 12 NN NN C + − = , )1( 2 21 2 NN N D + = (9) Le système d’équivalence de la figure 5 conserve la passivité avec ses interconnections A, B, C, D, si et seulement si, les conditions suivantes sont vérifiées [13]: ( )       −+≤+++ ≤+ ≤+ 22222 22 22 1 1 1 BCADDBCA DB CA (10) Lemme : Un système de téléopération reste passif, si et seulement si les facteurs d’échelles en position et en force sont égaux (Kp=Kf) Démonstration : En remplaçant les facteurs d’échelles de l’équation (09) dans l’équation (10), on redéfinit ces trois inégalités suivantes :           ≤ + + + − + + − + + +≤+− +≤−+ 2 1 2 1 1 1 1 1 2 )1()2()1( )1()1(4 222 222 222 fp f fp fp fp pf fp p fpffp fpfpp kk k kk kk kk kk kk k kkkkk kkkkk (11) La forme réduite de (11) nous donne : e-STA copyright 2010 by see Volume 7, N°2, pp 16-21       ≤+ ≤ ≤ fpfp pf fp kkkk kk kk 844 22 (12) Ces trois inégalités sont valables (satisfaisantes) seulement dans le cas où ces facteurs d’échelle sont identiques Kp=Kf (fig.5) Fig.5: Schéma d’équivalence en variables d’ondes pour N1=N2 Dans le cas où on considère les facteurs d’échelle non identiques pf kk ≠ , les interconnexions A, B, C et D doivent être redéfinies selon l’échelle d’interaction entre l’environnement et l’opérateur. Pour illustrer ça, on considère un cas où les interactions sont choisies selon (10). Fig.6: Schéma d’équivalent en variables d’ondes en présence du retard et des facteurs d’échelle. Dans le but d’assurer la passivité de notre système en présence du retard et des facteurs d’échelle non identiques pf kk ≠ , nous introduisons des filtres G(s) et F(s) après chaque bloc retard comme il est illustré sur la figure 6. Selon les conditions de Niemeyer [13], le système est passif si seulement si les trois conditions suivantes sont satisfaites :            ≤−⋅−⋅−+ ≤ ≤ 0)1()2()()1( 2222 2 2 FGkkGkFkkk k k G k k F fpfpfp f p p f (13) III. RESULTATS EXPERIMENTAUX Pour mettre en évidence le bon fonctionnement de l’architecture proposée pour notre système de téléopération, une étude expérimentale du système dans des conditions réelles d'utilisation à été réalisé. Le présent système est un outil de simulation «temps réel», il fait appel à différents logiciels et outils existants doivent interagir entre eux [15]. L'architecture peut ainsi être décomposée en trois principaux sous-systèmes : un programme réalisé en langage JAVA, un outil permettant la simulation de modèle, Matlab/Simulink. EJS (Easy Java Simulation), logiciel permettant la communication entre l'interface JAVA et Matlab/Simulink. L’architecture du modèle maître et esclave est codée sous Matlab/Simulink sera compilée en un programme JAVA grâce au « EJS ». Ce programme permet en premier lieu la communication entre les deux ordinateurs distants. Il assure le transfert bidirectionnel de données d'une machine à une autre via un protocole UDP voir (figure 8). L'ordinateur client sur lequel est implémenté le modèle maître envoi la grandeur Um sur le port Ue du modèle esclave contenu dans l'ordinateur serveur. En retour, l'ordinateur serveur envoi la grandeur Ve sur le port Vm de l'ordinateur maître. En plus de servir de support de communication entre les deux systèmes, les interfaces JAVA client et serveur dispose d'un IHM (Interface Homme Machine) permettant à l'utilisateur de saisir les différents paramètres liés aux systèmes maître ou esclave, à leurs correcteurs, au système de transmission, ou bien aux paramètres de simulation de Matlab/Simulink. Il permet de plus un affichage en temps réel des graphes des forces et des positions des systèmes maître et esclave, et donne l'opportunité à l'utilisateur, s'il le souhaite, de sauvegarder ces données au format Matlab pour une analyse ultérieure des comportements des systèmes. Fig.7 : Interface du Simulateur. Fig.8 : Architecture du Simulateur Nous rappelons dans un premier temps que la présence des retards et des facteurs d’échelle différents est considérée comme une violation de la condition de passivité. Par la suite, nous allons montrer que le contrôleur proposé ne viole pas la stabilité du système de l’opérateur humain et de l’environnement passif en présence des facteurs d’échelle et un retard de communication. Pour illustrer le comportement du système de téléopération et confirmer les conclusions de la section précédente, les e-STA copyright 2010 by see Volume 7, N°2, pp 16-21 paramètres de la simulation ont été déterminés expérimentalement comme dans le cas [12]. Ms=0.04 Ks=25.2 Bs=2 Mm=0.03 Km=1 Bm=0.277 Avec l’impédance nominale de l’environnement : Ze=Bes+Ke avec Be=0.5, Ke=.1 Ensuite, nous analysons la passivité du canal de communication. Deux filtres ayant les fonctions de transfert F (s) et G (s) de type ji s λλ +/ , sont insérées respectivement sur l’aller et le retour du canal de communication afin de préserver la passivité du contrôleur bilatéral vis-à-vis les variations de les facteurs d’échelle de la position et de la force. Ces filtres sont choisis en respectant les inégalités des conditions (13). Dans un environnement passif donné Ze, l'opérateur peut choisir le couple de paramètres d'échelle (kp, kf), afin d'assurer un meilleur contrôle et une bonne sensation de la position et la force du véhicule en fonction l’interaction du véhicule avec son environnement extérieur dont il évolue à savoir la route. Pour chaque facteur d'échelle, nous devons choisir les filtres adéquats pour préserver la passivité en respectant la condition (13). Pour résoudre ce problème, les facteurs d’échelle sont choisis expérimentalement pour le cas d’une route sèche tels que Kp = 1,5 et Kf = 2.5. Dans l’espace d’onde ces facteurs d’échelles sont donnés en canal d'interconnexion comme le montre la figure 6 avec : , )1( 2 fp p kk k A + = )1( 1 fp fp kk kk B + − = , )1( 1 fp fp kk kk C + − = et )1( 2 fp f kk k D + = . Dans le but d’assurer les conditions de passivité (13) pour notre système, nous avons choisi les fonctions de transfert des filtres comme suit : 10 10 )( + = s sF et 10 10 )( + = s sG Afin de valider le simulateur, il est nécessaire de réaliser quelques tests. Dans le cadre d'un transfert de données via un réseau local, les retards induits sont constants. En intégrant en simulation ce type de retard au système de téléopération entre le système maître et le système esclave, nous observons que pour un retard supérieur à 0,16 seconde le système global diverge. Cela est illustré sur la figure.9, (a). Pour le cas des facteurs d’échelle Kp et Kf différents, le système n'est plus passif, et en effet lorsque nous choisissons les valeurs suivantes N1=1,5 et N2=2,5 notre système diverge (voir figure.9, (b)). Les résultats de simulation de la figure 10 montrent une bonne poursuite de la position, la vitesse et la force de l’esclave par rapport à les données de maître. Pour le cas d’une communication via le réseau local d’internet de l’ESTACA (Laboratoire Commande et Systèmes), nous utilisons le simulateur dans les mêmes conditions de simulation que la partie précédente en terme de fonctions de transfert maître et esclave, correcteurs et la même consigne de force fh (une sinusoïdale d'amplitude 0,8 et de période 20 secondes). Il sera ainsi aisé de comparer les résultats de simulateur et ceux des simulations Matlab réalisés lors du dimensionnement. Après avoir configuré le logiciel selon les dispositions énoncées précédemment, et exporté les données au format Matlab, leur analyse donne lieu aux graphes illustrés sur la figure 12. Nous constatons à travers ces figures que la position, vitesse et force de l’esclave suit parfaitement la position, vitesse et force du maître. IV. CONCLUSION Dans ce papier, nous avons proposé une structure de contrôleur bilatéral à variables d’ondes pour une chaîne de téléopération dédiée au pilotage à distance d’un véhicule. En s’assurant de la passivité des sous systèmes maître, esclave et environnement, cette méthode nous permet d’obtenir la stabilité vis-à-vis des problèmes liés aux retards de communications et aux facteurs d’échelle. La prise en compte du retard de communication et des facteurs d’échelle qui induisent des excès d’énergie et par conséquent l’instabilité, a été résolue en prenant des filtres qui servent à réduire l’excès d’énergie. Nous avons choisi ces filtres en réalisant un compromis entre performances et temps de réponse. Afin de pouvoir vérifier les résultats obtenus en simulation dans des conditions réelles de retard, la chaîne de téléopération a été implémentée sur une interface JAVA permettant ainsi la communication via une connexion de type UDP des modèles maître et esclave situés chacun sur des ordinateurs distants. Que ce soit par simulation Matlab/Simulink, ou en utilisant le logiciel simulateur proposé, les résultats expérimentaux montrent une bonne poursuite en force et en vitesse du système esclave par rapport au système maître et donc, la pertinence de la méthode proposée. (a) (b) Fig.9 : Evolution de la force fe pour un échelon de force fh en présence d’un retard fixe (T=1sec): (a) réflexions successives des ondes, e-STA copyright 2010 by see Volume 7, N°2, pp 16-21 Fig.10: Résultats de simulation : position, vitesse et force du maître et de l’esclave V. RÉFÉRENCES [1]: Anderson, R. 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