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Minh-Quyen LE soutient sa thèse le 08 décembre 2011 à 14h00 - INSA de Lyon - Salle M1B - Bât. St Exupéry - 1er étage

Titre : Synthèse de Lois de Commande pour des Systèmes de Téléopération à Actionnement Pneumatique

Jury :

• Directeur (s) de thèse : Tanneguy REDARCE ; Minh-Tu PHAM

• Rapporteurs : Jacques LOTTIN ; Christine PRELLE

• Examinateurs : Richard MOREAU ; Jocelyne TROCCAZ

Résumé :
L’objectif des travaux entrepris au cours de cette thèse concerne le développement d’un système haptique de téléopération contrôlé à l’aide d’actionneurs électropneumatiques. Pour réaliser le contrôle du débit de ce type de modulateur, deux solutions technologiques sont possibles : soit des servovalves soit des électrovannes. La première solution est utilisée pour contrôler précisément des systèmes de hautes performances, mais l’apparition d’électrovannes rapides compactes à faible coût offre la possibilité de les utiliser à la place des servovalves (éléments couteux). Même si cela entraîne des défis dans la réalisation de la commande, à cause de l’augmentation des non-linéarités intrinsèques de l’actionneur pneumatique lorsqu’il est piloté par les électrovannes au lieu des servovalves. Le premier objectif a consisté à démontrer la possibilité de réaliser des interfaces maître-esclave à performance acceptable à l’aide d’électrovanne, afin de produire des systèmes à faible coût.
La méthode la plus courante pour commander des électrovannes consiste à utiliser un signal modulé en largeur d’impulsion (PWM). Cependant, les commutations hautes fréquences des électrovannes réduisent dramatiquement leur durée de vie. Afin de contrôler de manière plus optimale les électrovannes, une nouvelle stratégie de la commande basée sur l’algorithme hybride a été développée. Cette commande a été implémentée et testée sur un système de maître-esclave à un degré de liberté développé au cours de ces travaux de recherche. Une comparaison entre la commande hybride et la commande classique de type PWM a été réalisée. L’ensemble des résultats a démontré de meilleures performances dans le cas de la commande hybride en termes de dynamique de pression, des performances de suivi en force/position, ainsi que d’un point de vue énergétique et de durée de vie des composants. L’analyse de la stabilité dans le cadre d’une commande hybride n’a pas été étudiée dans notre cas en raison de la complexité de l’approche qui est basée sur le modèle non linéaire des pressions et le modèle discret des débits. Afin de disposer de l’ensemble des informations (transparence et stabilité) la commande par mode glissant a été choisie. Dans le but d’évaluer l’efficacité de cette approche, une comparaison de la transparence a été réalisée parmi trois architectures (position-position, force-force et force-position) pour un système de téléopération à deux canaux. L’approche théorique a été mise en parallèle avec des tests pratiques et une bonne cohérence de l’ensemble a été obtenue. Pour améliorer les performances dynamiques du système tout en réduisant les phénomènes de « chattering », une commande à cinq-mode (consistant à 5 modes de commutations) qui est étendu à partir de la commande à 3-mode a été utilisée. Les résultats ont démontré qu’en augmentant le nombre de modes de commande d’une électrovanne, l’activité de commutation réduite provoquant ainsi une augmentation de la durée de vie des composants, sans pour autant influencer sur les performances en terme de transparence.
Le second point de recherche entrepris est passé par l’utilisation de servovalves dans un système de téléopération, permettant ainsi de réaliser une comparaison entre les deux technologies (servovalve et électrovanne). Dans le cas d’une architecture de téléopération bilatérale à quatre canaux, les données expérimentales pour les deux types d’organes de commandes, ont donné des résultats satisfaisants en termes de suivi de force et de position pour le maître et l’esclave (en espace libre ou en contact). Au final l’étude a démontré que l’avantage de la technologie des servovalves réside dans une nuisance sonore plus faible et la production de signaux plus lisses en termes de force et de pression, permettant ainsi l’amélioration des propriétés haptiques du système de téléopération. Dans le cas de système de téléopération bilatérale, le capteur de force est souvent supprimé dans le but de réduire les coûts ainsi que le poids et le volume du système global. C’est la raison pour laquelle les travaux se sont intéressés à la possibilité d’utiliser des observateurs, à la place de capteurs de force pour déterminer les forces d’interactions entre l’opérateur et l’interface maître ainsi que l’environnement et l’interface esclave. Les données expérimentales montrent ainsi qu’il est possible d’obtenir des bonnes performances de transparence en utilisant un simple observateur de Nicosia.
Finalement ces différents résultats démontrent le potentiel des actionneurs électropneumatiques pour la réalisation le système de téléopération.

Mots Clés : Actionneur pneumatique, servovalves proportionnelles, électrovannes, commande PWM, algorithme hybride, commande par mode glissante, téléopération, stabilité, transparence.