Introduction

🌊 Les véhicules sous-marins autonomes ( AUV ) sont largement utilisés pour la détection et la collecte de données là où la portée des véhicules télécommandés (ROV) est trop limitée. Traditionnellement, les AUV sont de grande taille et conçus pour être embarqués à bord d’un navire avec un équipage spécialement formé. Grâce à leur taille, ces grands AUV peuvent effectuer de longues missions (plusieurs dizaines d’heures) en haute mer, jusqu’à 6 000 mètres de profondeur ! Cependant, pour les missions plus proches des côtes, les AUV de taille moyenne, grande et très grande sont complexes à mettre en œuvre, coûteuses et nécessitées par de nombreux opérateurs. Ces dernières années, la miniaturisation de l’électronique a levé le dernier obstacle qui freinait le développement des petits AUV : les capteurs de navigation. Aujourd’hui, le marché des AUV est très diversifié : du micro-AUV (20 000 €) au très grand AUV (3 millions d’euros), selon les missions visées.

 

Le coût final d’un AUV dépend fortement des charges utiles que le client souhaite intégrer à son drone, de la qualité des capteurs de navigation (essentielle pour un drone autonome) et du niveau d’industrialisation du véhicule. Les AUV les plus grands sont conçus sur mesure selon les exigences de l’utilisateur final. L’environnement sous-marin est très spécifique, comparable à la complexité des robots d’exploration spatiale, contrairement à la relative simplicité des drones aériens modernes. Par exemple, les robots sous-marins communiquent exclusivement par voie acoustique. Les ondes électromagnétiques (EM) sont absorbées par l’eau, et les communications optiques doivent avoir une visibilité directe. À titre de comparaison, la vitesse des ondes EM dans l’air (utilisées pour les drones aériens) est de 300 000 km/s. La vitesse des ondes acoustiques sous-marines est de 1 500 m/s. Une autre conséquence directe est l’absence de positionnement par satellite GNSS. Autrement dit, il est impossible de contrôler l’AUV en temps réel ou de le positionner « simplement ». Cet article présente les différentes solutions de positionnement qui rendent possible la navigation autonome. 🔎​

Positionnement

⚙️ Pour les opérations prolongées des AUV, une précision de positionnement à long terme accumulée est essentielle pour garantir que le véhicule puisse atteindre sa destination et revenir à son point de départ. La navigation sous-marine industrielle repose sur l’estimation à l’heure, complétée par des capteurs d’aide au positionnement. À cela s’ajoute une autre source importante d’aide externe au positionnement : le positionnement acoustique sous-marin.

 

Positionnement à l’estime

 

Le positionnement par navigation à l’heure de l’AUV consiste à estimer la position du véhicule en intégrant ses mouvements à partir d’un point de départ connu. Le système mesure en continu la vitesse (à partir d’un capteur ou d’une estimation par le
propulseur), la direction et le temps écoulé grâce à des capteurs. Ces données sont combinées pour calculer la position actuelle.
Cependant, en l’absence de référence externe sous l’eau, les erreurs de mesure s’accumulent au fil du temps, entraînant une dérive progressive de la position estimée, aucun capteur n’étant parfait.

Les capteurs fondamentaux pour la navigation à l’heure sont les suivants :

➡️Capteur de pression, pour estimer la profondeur du véhicule sous-marin autonome (et donc son axe Z).
➡️Centrale inertielle (IMU) pour l’orientation. Une IMU est composée d’un gyroscope et d’un accéléromètre. Ce capteur est essentiel et a longtemps été le plus lourd, le plus encombrant et le plus coûteux des capteurs de positionnement par estimation inertielle. Cependant, ces dernières années, grâce au développement de la technologie des systèmes microélectromécaniques (MEMS), les IMU sont devenues plus petites et moins chères, mais elles présentent une dérive importante au fil du temps. La figure 2 illustre les détails des technologies IMU.

Pour les grands AUV, la technologie des gyroscopes à fibre optique (FOG) est la plus dominante.

➡️Une antenne GNSS simple pour l’initialisation et l’ascension.
Des capteurs d’assistance,
non obligatoires mais très utiles, complètent cette antenne.
➡️Un magnétomètre pour évaluer le cap du drone par rapport au nord géographique. Ce capteur
est indispensable lorsque le gyroscope MEMS est utilisé comme centrale inertielle (IMU), en raison de sa dérive au fil du temps.
➡️Une double antenne GNSS pour recalibrer le cap du drone à chaque ascension. Pour une
précision optimale, la distance entre les deux antennes doit être d’au moins 70 centimètres.
➡️Un loch Doppler (DVL) pour obtenir deux informations cruciales pour un AUV :
l’altitude du robot par rapport au sol et sa vitesse linéaire par rapport au sol. Sans lui, la navigation altimétrique, essentielle pour le balayage sonar, est impossible. De plus, l’absence de DVL impacte fortement la précision du positionnement, car il n’existe aucun autre moyen d’infirmière et de fournir le courant d’eau. C’est comme si quelqu’un vous poussait les yeux fermés. Vous n’avez aucune idée de la distance que vous avez parcourue dans l’espace.

 

Positionnement acoustique sous-marin

 

Comme indiqué dans la section sur la navigation à l’heure, l’absence de repères externes pendant le déplacement sous-marin de l’AUV entraîne une dérive progressive de sa position estimée. Pour les missions de longue durée, notamment celles de plusieurs dizaines d’heures, la localisation acoustique sous-marin peut s’avérer déterminante. Il constitue un complément à la navigation à l’heure, toujours utilisé comme référence. Pour les micro-AUV, où le déploiement d’un système de positionnement acoustique sous-marin peut être contraignant, contrairement au principe de portabilité par une seule personne, il est généralement préférable d’effectuer une remontée plus importante au cours d’une mission.

 

Il existe trois grandes méthodes de positionnement acoustique :

 

➡️Balises à longue base (LBL) / Bouées intelligentes GNSS (GIB) : Le principe des LBL et des GIB est identique. La différence réside dans leur ancrage : les balises LBL sont fixées au fond marin, tandis que les balises GIB flottent. Dans les deux cas, la
précision de la localisation des balises est primordiale. La mesure du temps de propagation des signaux acoustiques entre le véhicule et plusieurs balises permet de déterminer la position de l’AUV par triangulation. Ce type de positionnement offre une grande précision, mais exige un étalonnage précis et une configuration adaptée à la zone de mission. Les LBL peuvent être affectés par le masquage acoustique dû au relief. Il est possible d’utiliser une ou deux balises pour améliorer le positionnement de l’AUV, mais la précision s’en trouve fortement réduite. Cependant, une seule balise permet une communication en temps réel avec l’AUV, ce qui peut s’avérer utile.

➡️Système USBL (Ultra Short BaseLine) :
Ce système utilise un réseau compact de transducteurs disposés à proximité les uns des autres à une distance connue, généralement montés sur un navire ou une structure fixe. En mesurant les différences de phase et de temps de propagation des signaux acoustiques entre les transducteurs et le véhicule sous-marin autonome (AUV), le système détermine la position de l’AUV par rapport au réseau. L’USBL permet un suivi en temps réel sans nécessiter de multiples balises externes. Cependant, sa précision diminue avec la distance et peut être affectée par le bruit acoustique, la propagation multi-trajets ou les mouvements du navire.

➡️Système Short BaseLine (SBL) :
Le système SBL repose sur un principe similaire, mais utilise plusieurs transducteurs plus espacés, généralement installés sur la coque d’un navire ou sur des plateformes fixes. Cet espacement accumulé permet une meilleure précision géométrique que le système USBL, notamment à grande profondeur. Comme pour l’USBL, la position du véhicule sous-marin autonome (AUV) est déterminée à partir des temps de propagation des signaux acoustiques. Si le système SBL offre une précision supérieure, il nécessite une installation plus complexe et un étalonnage précis de la position des transducteurs.

Fusion de données : Estimateurs

Pour obtenir une position fiable et précise dans le temps, il est nécessaire de combiner toutes les données provenant des différents capteurs mentionnés précédemment. Ce processus est appelé fusion de données. Chaque capteur possède ses propres caractéristiques, avantages et limitations : par exemple, l’IMU fournit des informations rapides et continues, mais dérive avec le temps, tandis que le DVL ou les systèmes de positionnement acoustique offrent des mesures plus précises, mais à une fréquence plus basse ou de manière intermittente. Chaque capteur présente également un degré d’incertitude différent dans ses mesures. L’objectif de la fusion de données est d’exploiter au mieux chaque source d’information et de minimiser l’incertitude. Pour ce faire, on utilise des estimateurs. Le plus courant et le plus utilisé dans la navigation des AUV est le filtre de Kalman, ou plus précisément, sa variante non linéaire, le filtre de Kalman étendu (EKF). Cet algorithme estime en continu l’état de l’AUV (position, vitesse et orientation) en le prédisant à partir de l’état précédent et en le corrigeant dès que de nouvelles mesures de capteurs sont disponibles. En termes simples, l’estimateur se fie à l’IMU pour les mouvements à court terme, mais corrige régulièrement son estimation lorsque d’autres capteurs, tels que le DVL, le magnétomètre ou le positionnement acoustique, fournissent de nouvelles données. La qualité de la solution de navigation dépend largement du réglage de l’estimateur et de la qualité des modèles de capteurs utilisés. Des approches plus avancées, comme le filtre de Kalman non linéaire (UKF) ou les filtres particulaires, peuvent être mises en œuvre pour des missions complexes ou lorsque les non-linéarités sont trop importantes. Cependant, les filtres particuliers nécessitent une puissance de calcul bien supérieure.

 

Du positionnement à la navigation : planification et guidage

 

Une fois le positionnement fiable établi, l’étape suivante consiste à parvenir à une véritable navigation autonome. La navigation, dans ce contexte, comprend trois composantes clés : la planification, le guidage et le contrôle. La planification (ou contrôle de mission) définit la trajectoire ou la mission que le véhicule sous-marin autonome (AUV) doit suivre. Cela peut aller d’un simple suivi de points de passage à une optimisation de trajectoire plus avancée, basée sur les objectifs de la mission, les contraintes du terrain ou la consommation d’énergie. Le guidage garantit que l’AUV suit cette trajectoire planifiée en alignant en permanence la trajectoire souhaitée avec sa position et son orientation réelles. Le contrôle agit directement sur les actionneurs de l’AUV (propulseurs, ailerons, etc.) pour corriger ses mouvements en temps réel. En pratique, le système de localisation et d’estimation fournit les données nécessaires au guidage et au contrôle. La qualité de la navigation dépend donc de l’ensemble de la chaîne, des capteurs et de l’estimateur jusqu’aux algorithmes de guidage et de contrôle. Pour la plupart des missions, notamment dans les environnements côtiers ou encombrés, des algorithmes de navigation robustes sont nécessaires pour gérer les perturbations telles que les courants marins,
la visibilité bathymétrique limitée ou la portée acoustique. Les AUV modernes intègrent souvent des logiciels de gestion de mission capables de replanifier dynamiquement les itinéraires sûrs ou de retourner à un point si l’incertitude de navigation devient trop élevée.

 

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