État de l’art des architectures de stabilisation

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Description du système existant à un seul étage de stabilisation

Le dispositif optronique de visée se compose d’un ensemble de lentilles, d’un détecteur infrarouge et d’une carte électronique associée. Cet ensemble est lié au porteur grâce à un système de cardans qui lui assure deux degrés de liberté en rotation (voir figure 1.3).
On définit sur la figure 1.4 deux repères dans lesquels pourra être mesurée la direction de la Ligne de Visée : le repère inertiel Ri et le repère lié à la plate-forme R. On définit également le repère P, attaché à l’étage de stabilisation existant.
Dans un système mécanique où les liaisons sont parfaites (sans frottement notamment) et les éléments infiniment rigides, ce montage suffit à isoler le dispositif optronique des mouvements du porteur selon les deux axes sur lesquels les liaisons pivots sont placées. Malgré une conception mécanique rigoureuse, des imperfections persistent et une architecture de stabilisation est nécessaire. Chacun des axes de rotation est ainsi instrumenté par des capteurs et motorisé afin de compenser les perturbations résiduelles.
Les travaux présentés dans ce mémoire s’intéressent à la stabilisation de la Ligne de Visée selon un seul axe, Y (l’autre étant considéré comme fixe) afin de simplifier l’étude.
La qualité de l’image est dépendante de la capacité de la plate-forme à isoler le dispositif optronique des perturbations extérieures et à les compenser au besoin.
Figure 1.4 – Référentiels utilisés

Notion de qualité image

La qualité d’une image est fréquemment quantifiée à l’aide de la Fonction de Transfert de Modulation (FTM). Cette grandeur représente le niveau de contraste en fonction des fréquences spatiales présentes dans l’image. Plus le niveau de contraste est élevé, plus l’image est de bonne qualité. À l’inverse, lorsque le système de visée transforme une source lumineuse ponctuelle en une image étalée, le contraste est dégradé. Le niveau de contraste baisse avec la fréquence spatiale : cela correspond au fait qu’il est plus difficile de discerner un détail que la forme générale d’un objet.
Dans un système d’imagerie, tous les éléments sont susceptibles de générer une dégradation de l’image. On peut citer les aberrations des lentilles, le résiduel de stabilisation, l’électronique associée au détecteur, la transmittance de l’atmosphère, etc. Chacune des sources de dégradation est représentée par une fonction de FTM. La FTM complète du système d’imagerie est donnée par le produit des FTM associées aux différents éléments de la chaine d’image.
La FTM de bougé spécifie la dégradation introduite par le résiduel de stabilisation dans l’image. C’est la grandeur d’intérêt pour les ingénieurs en charge d’asservir la plate-forme de stabilisation de la Ligne de Visée. Dans la pratique industrielle, il est courant d’utiliser un critère dérivé de cette spécification, l’écart-type de l’erreur de stabilisation, pour régler les paramètres des correcteurs.
Les deux critères ne sont pas équivalents. Par conséquent, une synthèse effectuée à partir du critère dérivé nécessite une étape supplémentaire de vérification sur le critère haut-niveau de FTM. Le flux vidéo est destiné à être analysé par un opérateur humain. Le mouvement de la Ligne de Visée d’une image sur l’autre, couplé à l’intégration temporelle opérée par l’oeil humain, génère une dégradation de l’image. La FTM, quantifiant le flou présent dans une image, n’est pas le critère pertinent pour quantifier le mouvement trame à trame. Un autre critère devra donc être défini pour prendre en compte cette source de dégradation de l’image.

Objectifs des travaux

Afin de s’adapter aux nouvelles exigences de stabilisation, tout en respectant les contraintes industrielles de coût et de délai, une double approche est proposée ici :
– Une modification matérielle est effectuée sur la structure de stabilisation existante.
Un étage de stabilisation secondaire (parfois appelé « étage de stabilisation fine ») est ajouté au démonstrateur pour compenser l’erreur de stabilisation résiduelle de la structure existante et ainsi tenter d’augmenter la performance de stabilisation. Cette étape a été décomposée en une étude préliminaire de l’architecture mise en place, la réalisation d’un cahier des charges, une étude des technologies disponibles sur le marché, le choix et le suivi des fournisseurs. Un banc d’essais a également été mis en place pour caractériser les nouveaux composants inclus dans l’architecture.
– Une modification de la méthode de synthèse des correcteurs est envisagée. Le critère dit « haut-niveau », portant sur la FTM, est directement utilisé dans la synthèse des lois de commande de la structure à deux étages de stabilisation, au lieu du critère dérivé classiquement utilisé. Une optimisation des paramètres des correcteurs de stabilisation de la Ligne de Visée est ainsi proposée, à partir d’une fonction de coût incluant notamment la spécification de FTM. L’utilisation du critère « haut-niveau » offre un gain de temps et une simplification de la synthèse du correcteur en supprimant l’étape de vérification. De plus, le critère dérivé peut s’avérer conservatif. Lorsque les performances recherchées sont élevées, l’utilisation de ce critère peut ainsi conduire à la conclusion erronée qu’il n’existe pas de solutions au problème posé. L’emploi direct de la Fonction de Transfert de Modulation lors de la synthèse des correcteurs permet d’éviter cet écueil. Cependant, l’évaluation de cette fonction de coût est coûteuse en temps de calcul. Le budget d’évaluation est par conséquent limité. L’algorithme d’optimisation utilisé devra prendre en compte cette caractéristique, afin de proposer un asservissement qui respecte les spécifications dans un temps de calcul raisonnable.
Des méthodes locales, disposant d’un point initial supposé proche d’un optimum ou bien des méthodes globales bayésiennes, adaptées à l’optimisation de fonctions coûteuses, sont envisageables.
Une analyse a posteriori du déroulement de la thèse est proposée sur la figure 1.5.
Figure 1.5 – Déroulement de la thèse

Plan du manuscrit

Le manuscrit s’articule de la façon suivante :
– Après un état de l’art sur les architectures existantes de stabilisation de Ligne de Visée, le chapitre 2 s’attache à décrire la structure de stabilisation de départ, dit « étage de stabilisation primaire ». La conception de l’étage secondaire incluant le choix de l’architecture et des composants est ensuite détaillée. Une modélisation du système complet est ensuite proposée.
– Le chapitre 3 s’intéresse, dans un premier temps, aux méthodes de synthèse des asservissements de la Ligne de Visée. Les critères de qualité image utilisés dans la méthode proposée sont décrits puis intégrés dans une fonction de coût F qui inclut également des contraintes liées au système.
– Le temps d’évaluation de la fonction de coût proposée étant élevé, le chapitre 4 présente un état de l’art des méthodes d’optimisation adaptées aux fonctions coûteuses. Ces méthodes permettent de régler les paramètres des lois de commande par l’optimisation de F dans un temps de calcul raisonnable. Le temps imparti ici est de l’ordre de 8 heures. Une méthode d’optimisation locale et une méthode d’optimisation bayésienne globale sont ensuite proposées et comparées. L’apport de l’étage supplémentaire de stabilisation est également quantifié.
– Une conclusion résume les travaux effectués et propose des perspectives.
– Les annexes abordent des thèmes liés à l’aspect matériel (les réglages et caractérisations effectués sur la plate-forme de stabilisation, l’élaboration du cahier des charges des composants de l’architecture à deux étages de stabilisation ou encore l’interface entre la maquette du démonstrateur et le banc d’essai), s’intéressent à des considérations optroniques (le calcul de la Fonction de Transfert de Modulation et le fonctionnement du capteur infrarouge) et détaillent des problématiques de commande (la détermination de la forme d’un correcteur à partir d’une spécification particulière et l’application à un problème simple de la synthèse H∞).

Publications personnelles

S. Frasnedo, C. Chapuis, G. Duc, P. Feyel et G. Sandou. Optimization of Line of Sight controller based on high-level optronic criterion, IFAC workshop on Advanced Control Navigation for Autonomous Aerospace Vehicles, 2015 S. Frasnedo, J. Bect, C. Chapuis, G. Duc, P. Feyel et G. Sandou. Line of sight controller tuning using Bayesian optimization of a high-level optronic criterion, IFAC workshop on Control Applications of Optimization, 2015

Système : architecture, évolution matérielle et modélisation adoptée

Introduction

La portée d’un système de visée, c’est-à-dire sa capacité à voir loin, est directement reliée au résiduel de stabilisation de sa Ligne de Visée ([Cooper (1991)]). De plus, avec l’augmentation de la résolution des capteurs, la stabilisation devient le facteur limitant pour les dispositifs d’imagerie.
Un des objectifs de ces travaux est d’imaginer, à partir d’une architecture de stabilisation existante, une évolution matérielle qui permettrait d’améliorer intrinsèquement la performance de stabilisation de la Ligne de Visée. Lorsque la performance demandée devient trop contraignante pour l’étage primaire, une solution consiste en l’ajout d’un étage de stabilisation, dit étage de stabilisation secondaire, dont le rôle serait de réduire le résiduel de stabilisation de l’architecture déjà existante. L’étage de stabilisation secondaire doit s’intégrer dans un système complexe et résister à des environnements contraignants.
Une revue des architectures de stabilisation existantes est proposée ici, suivie d’une description de l’architecture existante dont on dispose et de l’évolution matérielle adoptée. Enfin, une modélisation du système complet, utilisée a posteriori pour la simulation et l’optimisation des correcteurs, est détaillée.

État de l’art des architectures de stabilisation

Architecture de stabilisation à étage simple

Les techniques de compensation du mouvement de la Ligne de Visée se divisent en plusieurs familles.
On peut citer tout d’abord les techniques de compensation passives décrites notamment dans [Cooper (1991)]. Certaines de ces techniques se fondent sur l’utilisation d’amortisseurs et de ressorts pour limiter la transmission de mouvements parasites au dispositif optronique et ainsi préserver la stabilisation de la Ligne de Visée ([Matthews (1986)]). Cependant, l’architecture mécanique adoptée est propre à un environnement donné et doit être pensée à nouveau pour de nouvelles conditions d’acquisition d’images. On peut également classer dans cette même famille les méthodes qui exploitent l’effet gyroscopique pour la stabilisation de la Ligne de Visée : le dispositif optronique est placé à l’intérieur d’un solide, appelé volant d’inertie, possédant une inertie importante et mû par une rotation rapide dans une direction donnée ([Cooper (1991)], [Beckerleg (1987)], [Hilkert (2008)]). L’effet gyroscopique qui en résulte stabilise le dispositif optronique en le protégeant des couples perturbateurs.
Cette technique est parfois utilisée pour stabiliser les antennes présentes sur les satellites ([Hilkert (2008)]). Cependant sa configuration massive peut ne pas être adaptée à toutes les applications. De plus, la rotation du volant d’inertie pose des problèmes techniques au niveau des câbles d’alimentation et de commande du dispositif optronique, reliés à des parties fixes par rapport au volant d’inertie.
Les techniques de compensation du mouvement de la Ligne de Visée par traitement d’image constituent une deuxième catégorie. Le recalage d’image est utilisé pour compenser le mouvement trame à trame, c’est-à-dire d’une image sur l’autre comme illustré sur la figure 2.1 et les techniques de déconvolution sont employées pour supprimer le flou engendré par l’erreur de stabilisation à l’intérieur d’une image ([Crombez (2011)], [Cannell (2006)]).
Ces méthodes nécessitent d’autant plus de ressources de calcul qu’elles font appel à des algorithmes sophistiqués. De plus, pour assurer une correction des effets du résiduel de stabilisation, la fréquence des images utilisées doit être suffisamment élevée ([Kennedy (2008)]) pour ne pas limiter la bande passante. Sur un système embarqué, soumis à des contraintes de poids et de consommation, ces ressources ne sont pas toujours disponibles.

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Table des matières

1 Introduction 
1.1 Contexte et problématique
1.2 Description du système existant à un seul étage de stabilisation
1.3 Notion de qualité image
1.4 Objectifs des travaux
1.5 Plan du manuscrit
1.6 Publications personnelles
2 Système : architecture, évolution matérielle et modélisation adoptée
2.1 Introduction
2.2 État de l’art des architectures de stabilisation
2.2.1 Architecture de stabilisation à étage simple
2.2.2 Architecture de stabilisation à double étage
2.3 Architecture de stabilisation existante et évolution matérielle proposée
2.3.1 Modification de l’architecture de stabilisation existante
2.3.2 Choix des nouveaux composants
2.4 Modélisation du système pour la simulation
2.4.1 Modèle adopté pour l’étage de stabilisation primaire
2.4.2 Modèle de l’architecture à deux étages de stabilisation
2.5 Conclusion
3 Synthèse des lois de commande de la plate-forme : prise en compte directe d’un critère de qualité image 
3.1 Introduction
3.2 État de l’art concernant la synthèse de correcteurs de Ligne de Visée
3.3 Quantification de la qualité image : choix d’un critère et méthode de calcul
3.3.1 Définition de la Fonction de Transfert de Modulation
3.3.2 Méthode d’évaluation adoptée
3.4 Mise en forme de la fonction de coût
3.4.1 Quantification de la qualité image
3.4.2 Contraintes liées au système
3.4.3 Expression de la fonction de coût F
3.5 Forme des correcteurs adoptés
3.5.1 Structure de correction de l’étage primaire
3.5.2 Structure de correction de l’étage secondaire
3.5.3 Réglage à la main des correcteurs des étages de stabilisation
3.5.4 Analyse empirique de la fonction de coût et de l’influence des paramètres par coupe d’espace
3.6 Conclusion
4 Optimisation des correcteurs de stabilisation de la Ligne de Visée 
4.1 Introduction
4.2 Optimisation locale
4.2.1 État de l’art et choix de l’algorithme d’optimisation locale
4.2.2 Résultats et conclusion sur la méthode employée
4.3 Optimisation globale
4.3.1 État de l’art et choix de l’algorithme d’optimisation globale
4.3.2 Description détaillée de l’algorithme choisi et implémentation
4.3.3 Résultats de simulation et conclusion sur la méthode
4.4 Conclusion
5 Conclusion 
5.1 Bilan
5.2 Perspectives
A Réglages et caractérisations effectués sur le système
A.1 Réglage des offsets des codeurs et des moteurs
A.2 Équilibrage de la plate-forme
A.3 Réglage en tirage et tilt de l’imageur
A.4 Frottements
B Élaboration du cahier des charges pour le moyen de mesure de l’étage primaire, l’actionneur et le capteur de l’étage secondaire
B.1 Détermination de la perturbation en vitesse
B.2 Élaboration de la matrice d’exigences de l’actionneur et du capteur de l’étage de stabilisation secondaire
B.3 Élaboration de la matrice d’exigences du capteur inertiel de vitesse de l’étage primaire
C Description du banc de prototypage rapide
C.1 Principe du prototypage rapide
C.2 Banc d’essais mis en place
C.3 Modèle Simulink d’interface conçu
D Évaluation de la Fonction de Transfert de Modulation pour un mouvement en deux dimensions
D.1 Utilisation des Fonctions de Transfert de Modulation en une dimension
D.2 Utilisation des Fonctions de Transfert de Modulation en deux dimensions
E Fonctionnement d’un capteur à cliché instantané et d’un capteur bolométrique non refroidi
E.1 Capteur à « cliché instantané »
E.2 Présentation d’un bolomètre non refroidi
E.2.1 Principe de fonctionnement
E.2.2 Équation thermique
F Détermination de l’ordre de l’intégrateur dans le correcteur de l’étage primaire
F.1 Exigence
F.2 Modèle du système utilisé
F.3 Application du théorème de la valeur finale
G Approche standard de la synthèse H∞, application à un problème simple
G.1 Principe de la synthèse H∞ et système considéré
G.2 Description du problème standard
G.3 Introduction de pondérations sur les signaux du système
Références bibliographiques

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