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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes
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18328
17/10/2018

Embedded and validated control algorithms for the spacecraft rendezvous

P.R.ARANTES GILZ

MAC

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 17 Octobre 2018, 162p., Président: L.ZACCARIAN, Rapporteurs: A.HERNAN GONZALEZ, E.KERRIGAN, Examinateurs: E.COURTIAL, M.VASILE, Directeurs de thèse: M.JOLDES, C.LOUEMBET , N° 18328

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01922288

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Résumé

L’autonomie est l’une des préoccupations majeures lors du développement de missions spatiales que l’objectif soit scientifique (exploration interplanétaire, observations, etc) ou commercial (service en orbite). Pour le rendez-vous spatial, cette autonomie dépend de la capacité embarquée de contrôle du mouvement relatif entre deux véhicules spatiaux. Dans le contexte du service aux satellites (dépannage, remplissage additionnel d’ergols, correction d’orbite, désorbitation en fin de vie, etc), la faisabilité de telles missions est aussi fortement liée à la capacité des algorithmes de guidage et contrôle à prendre en compte l’ensemble des contraintes opérationnelles (par exemple, saturation des propulseurs ou restrictions sur le positionnement relatif entre les véhicules) tout en maximisant la durée de vie du véhicule (minimisation de la consommation d’ergols). La littérature montre que ce problème a été étudié intensément depuis le début des années 2000. Les algorithmes proposés ne sont pas tout à fait satisfaisants. Quelques approches, par exemple, dégradent les contraintes afin de pouvoir fonder l’algorithme de contrôle sur un problème d’optimisation efficace. D’autres méthodes, si elles prennent en compte l’ensemble du problème, se montrent trop lourdes pour être embarquées sur de véritables calculateurs existants dans les vaisseaux spatiaux. Le principal objectif de cette thèse est le développement de nouveaux algorithmes efficaces et validés pour le guidage et le contrôle impulsif des engins spatiaux dans le contexte des phases dites de “hovering” du rendez-vous orbital, i.e. les étapes dans lesquelles un vaisseau secondaire doit maintenir sa position à l’intérieur d’une zone délimitée de l’espace relativement à un autre vaisseau principal. La première contribution présentée dans ce manuscrit utilise une nouvelle formulation mathématique des contraintes d’espace pour le mouvement relatif entre vaisseaux spatiaux pour la conception d’algorithmes de contrôle ayant un traitement calculatoire plus efficace comparativement aux approches traditionnelles. La deuxième et principale contribution est une stratégie de contrôle prédictif qui assure la convergence des trajectoires relatives vers la zone de “hovering”, même en présence de perturbations ou de saturation des actionneurs. Un travail spécifique de développement informatique a pu démontrer l’embarquabilité de ces algorithmes de contrôle sur une carte contenant un microprocesseur LEON3 synthétisé sur FPGA certifié pour le vol spatial, reproduisant les performances des dispositifs habituellement utilisés en vol. Finalement, des outils d’approximation rigoureuse de fonctions ont été utilisés pour l’obtention des solutions validées des équations décrivant le mouvement relatif linéarisé, permettant ainsi une propagation certifiée simple des trajectoires relatives via des polynômes et la vérification du respect des contraintes du problème.

Abstract

Autonomy is one of the major concerns during the planning of a space mission, whether its objective is scientific (interplanetary exploration, observations, etc.) or commercial (service in orbit). For space rendezvous, this autonomy depends on the on-board capacity of controlling the relative movement between two spacecraft. In the context of satellite servicing (troubleshooting, propellant refueling, orbit correction, end-of-life deorbit, etc.), the feasibility of such missions is also strongly linked to the ability of the guidance and control algorithms to account for all operational constraints (for example, thruster saturation or restrictions on the relative positioning between the vehicles) while maximizing the life of the vehicle (minimizing propellant consumption). The literature shows that this problem has been intensively studied since the early 2000s. However, the proposed algorithms are not entirely satisfactory. Some approaches, for example, degrade the constraints in order to be able to base the control algorithm on an efficient optimization problem. Other methods accounting for the whole set of constraints of the problem are too cumbersome to be embedded on real computers existing in the spaceships. The main object of this thesis is the development of new efficient and validated algorithms for the impulsive guidance and control of spacecraft in the context of the so-called "hovering" phases of the orbital rendezvous, i.e. the stages in which a secondary vessel must maintain its position within a bounded area of space relatively to another main vessel. The first contribution presented in this manuscript uses a new mathematical formulation of the space constraints for the relative motion between spacecraft for the design of control algorithms with more efficient computational processing compared to traditional approaches. The second and main contribution is a predictive control strategy that has been formally demonstrated to ensure the convergence of relative trajectories towards the "hovering" zone, even in the presence of disturbances or saturation of the actuators. Specific computational developments have demonstrated the embeddability of these control algorithms on a board containing a FPGAsynthesized LEON3 microprocessor certified for space flight, reproducing the performance of the devices usually used in flight. Finally, tools for rigorous approximation of functions were used to obtain validated solutions of the equations describing the linearized relative motion, allowing a simple certified propagation of the relative trajectories via polynomials and the verification of the respect of the constraints of the problem.

Mots-Clés / Keywords
Spacecraft rendezvous; Model predictive control; Impulsive systems; Embedded algorithms; Validated algorithms; Symbolic computation; Rendez-vous orbital; Commande prédictive; Systèmes impulsifs; Calcul embarqué; Algorithmes certifiés; Calcul formel;

144937
18290
03/10/2018

Computing Approximations and Generalized Solutions Using Moments and Positive Polynomials

T.WEISSER

MAC

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 3 Octobre 2018, 146p., Président: M.SAFEY EL DIN, Rapporteurs: S.KUHLMANN, E.TRELAT, Examinateurs:J.MALIK, H.ZIDANI , Directeurs de thèse: J.B.LASSERRE, D.HENRION , N° 18290

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01894578

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Résumé

Le problème généralisé des moments (PGM) est un problème d’optimisation linéaire sur des espaces de mesures. Il permet de modéliser simplement un grand nombre d’applications. En toute généralité il est impossible à résoudre mais si ses données sont des polynômes et des ensembles semi-algébriques alors on peut définir une hiérarchie de relaxations semidéfinies (SDP) – la hiérarchie moments-sommes-de-carrés (moments-SOS) – qui permet en principe d’approcher la valeur optimale avec une précision arbitraire. Le travail contenu dans cette thèse adresse deux facettes concernants le PGM et la hiérarchie moments-SOS: Une première facette concerne l’évolution des relaxations SDP pour le PGM. Le degré des poids SOS dans la hiérarchie moments-SOS augmente avec l’ordre de relaxation. Lorsque le nombre de variables n’est pas modeste, on obtient rapidement des programmes SDP de taille trop grande pour les logiciels de programmation SDP actuels, sauf si l’on peut utiliser des symétries ou une parcimonie structurée souvent présente dans beaucoup d’applications de grande taille. On présente donc un nouveau certificat de positivité sur un compact semi-algébrique qui (i) exploite la parcimonie présente dans sa description, et (ii) dont les polynômes SOS ont un degré borné à l’avance. Grâce à ce nouveau certificat on peut définir une nouvelle hiérarchie de relaxations SDP pour le PGM qui exploite la parcimonie et évite l’explosion de la taille des matrices semidéfinies positives liée au degré des poids SOS dans la hiérarchie standard. Une deuxième facette concerne (i) la modélisation de nouvelles applications comme une instance particulière du PGM, et (ii) l’application de la méthodologie moments-SOS pour leur résolution. En particulier on propose des approximations déterministes de contraintes probabilistes, un problème difficile car le domaine des solutions admissibles associées est souvent non-convexe et même parfois non connecté. Dans notre approche moments-SOS le domaine admissible est remplacé par un ensemble plus petit qui est le sous-niveau d’un polynôme dont le vecteur des coefficients est une solution optimale d’un certain SDP. La qualité de l’approximation (interne) croît avec le degré du polynôme et la taille du SDP. On illustre cette approche dans le problème du calcul du flux de puissance optimal dans les réseaux d’énergie, une application stratégique où la prise en compte des contraintes probabilistes devient de plus en plus cruciale (e.g., pour modéliser l’incertitude liée á l’énergie éolienne et solaire). En outre on propose une extension des cette procedure qui est robuste à l’incertitude sur la distribution sous-jacente. Des garanties de convergence sont fournies. Une deuxième contribution concerne l’application de la méthodologie moments-SOS pour l’approximation de solutions généralisés en commande optimale. Elle permet de capturer le comportement limite d’une suite minimisante de commandes et de la suite de trajectoires associée. On peut traiter ainsi le cas de phénomènes simultanés de concentrations de la commande et de discontinuités de la trajectoire. Une troisième contribution concerne le calcul de solutions mesures pour les lois de conservation hyperboliques scalaires dont l’exemple typique est l’équation de Burgers. Cette classe d’EDP non linéaire peut avoir des solutions discontinues difficiles à approximer numériquement avec précision. Sous certaines hypothèses, la solution mesurepeut être identifiée avec la solution classique (faible) à la loi de conservation. Notre approche moment-SOS fournit alors une méthode alternative pour approcher des solutions qui contrairement aux méthodes existantes évite une discrétisation du domaine.

Abstract

The generalized moment problem (GMP) is a linear optimization problem over spaces of measures. It allows to model many challenging mathematical problems. While in general it is impossible to solve the GMP, in the case where all data are polynomial and semialgebraic sets, one can define a hierarchy of semidefinite relaxations – the moment-sums-of-squares (moment-SOS) hierachy – which in principle allows to approximate the optimal value of the GMP to arbitrary precision. The work presented in this thesis addresses two facets concerning the GMP and the moment-SOS hierarchy: One facet is concerned with the scalability of relaxations for the GMP. The degree of the SOS weights in the moment-SOS hierarchy grows when augmenting the relaxation order. When the number of variables is not small, this leads quickly to semidefinite programs (SDPs) that are out of range for state of the art SDP solvers, unless one can use symmetries or some structured sparsity which is typically present in large scale applications. We provide a new certificate of positivity which (i) is able to exploit the structured sparsity and (ii) only involves SOS polynomials of fixed degree. From this, one can define a new hierarchy of SDP relaxations for the GMP which can take into account sparsity and at the same time prevents from explosion of the size of SDP variables related to the increasing degree of the SOS weights in the standard hierarchy. The second facet focusses on (i) modelling challenging problems as a particular instance of the GMP and (ii) solving these problems by applying the moment-SOS hierarchy. In particular we propose deterministic approximations of chance constraints a difficult problem as the associated set of feasible solutions is typically non-convex and sometimes not even connected. In our approach we replace this set by a (smaller) sub-level-set of a polynomial whose vector of coefficients is a by-product of the moment-SOS hierarchy when modeling the problem as an instance of the GMP. The quality of this inner approximation improves when increasing the degree of the SDP relaxation and asymptotic convergence is guaranteed. The procedure is illustrated by approximating the feasible set of an instance of the chance-constrained AC Optimal Power Flow problem (a nonlinear problem in the management of energy networks) which nowadays becomes more and more important as we rely increasingly on uncertain energy sources such as wind and solar power. Furthermore, we propose an extension of this framework to the case where the underlying distribution itself is uncertain and provide guarantees of convergence. Another application of the moment-SOS methodology discussed in this thesis consider measure valued solutions to optimal control problems. We show how this procedure can capture the limit behavior of an optimizing sequence of control and its corresponding sequence of trajectories. In particular we address the case of concentrations of control and discontinuities of the trajectory may occur simultaneously. In a final contribution, we compute measure valued solutions to scalar hyperbolic conservation laws, such as Burgers equation. It is known that this class of nonlinear partial differential equations has potentially discontinuous solutions which are difficult to approximate numerically with accuracy. Under some conditions the measure valued solution can be identified with the classical (weak) solution to the conservation law. In this case our moment-SOS approach provides an alternative numerical scheme to compute solutions which in contrast to existing methods, does not rely on discretization of the domain.

Mots-Clés / Keywords
Moments; Positive polynomials; Sparsity; Chance constraints; Measure valued solutions; Semidefinite relaxations; Polynômes positifs; Parcimonie; Contraintes probabilistes; Solutions mesures; Relaxations semidéfinies;

144655
18376
11/09/2018

Earth observation systems optimization for free-space optical communications

M.CAPELLE

ROC

Doctorat : Septembre 2018146, 146p., Président: J.C.BILLAUT, Rapporteurs: O.PETON, S.DEMASSEY, Examinateurs: C.PRALET, F.CLAUTIAUX, Directeurs de thèse: M.J.HUGUET, N.JOZEFOWIEZ , N° 18376

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Résumé

Depuis plusieurs années, les satellites sont utilisés pour explorer, surveiller et photographier la Terre depuis l’espace. Ces satellites prennent un nombre croissant d’images avec une résolution de plus en plus de plus élevée, générant ainsi de gros volumes de données qui doivent être envoyés vers la Terre. Afin de transférer de telles quantités de données, de nouvelles technologies de communication sont étudiées. Parmi elles, les liaisons optiques en espace libre sont considérées aujourd’hui comme une alternative intéressante aux technologies actuelles basées sur les radio-fréquences. Avec des débits bien supérieurs à ceux actuels, les liaisons optiques sont capables de transférer d’important volumes de données journaliers en à peine quelques minutes. Cependant, les liaisons optiques sont fortement perturbées par les turbulences atmosphériques et, en particulier, les nuages. Afin de limiter l’impact de la couverture nuageuse, il est nécessaire de créer des réseaux de stations sol optiques efficacement réparties dans le monde. De plus, les prévisions météorologiques n’étant pas exactes, des procédures opérationnelles doivent être établies afin de pouvoir planifier les transferts d’images depuis le satellite vers la Terre, en prenant en compte les incertitudes liées aux nuages et aux prévisions de couverture nuageuse. Dans cette thèse, nous nous intéressons à l’utilisation de communications optiques pour la télémétrie image. Dans un premier temps, nous considérons le problème de la création de réseaux terrestres de stations optiques prenant en compte l’impact des nuages. Nous résolvons ce problème en combinant un algorithme de programmation dynamique avec un algorithme de type branch-and-bound. Dans un second temps, nous nous intéressons au problème de planification des transferts d’images d’un point de vue opérationnel, en prenant en compte les incertitudes sur les volumes des images acquises (dues à la compression bord) et celles liées aux communications optiques. Nous proposons une approche flexible où le processus de décision est partagé entre le système sol (centre mission) et le système à bord du satellite.

Abstract

For many years, satellites have been used to explore, analyse and monitor Earth from space. Nowadays, low-earth orbiting satellites are taking a steadily increasing number of pictures, with higher and higher precision, thus generating huge volumes of data that needs to be downloaded. In order to manage such amount of data, new communication technologies are investigated. In this context, free-space optical communications are seen as a key alternative to current radio-frequency ones. With their orders of magnitude higher data rates, free-space optical communications could be able to download daily acquisition volumes in a matter of minutes. Unfortunately, optical communications are strongly impacted by atmospheric turbulence and clouds. In order to cope with the latter, it is necessary to design efficient distributed networks of optical ground stations. Furthermore, since weather forecasts are imperfect, custom operational procedures should be established to schedule the downloads of acquisitions using optical communications to take into account uncertainties regarding clouds. In this thesis, we investigate the use of free-space optical communications for image telemetry. We first consider the problem of designing efficient networks of optical ground stations taking into account the impact of clouds. We solve this problem using a combination of a dynamic programming algorithm and a branch-and-bound algorithm. Then, we look at the operational problem of planning downloads of acquisitions under download channel and image volume uncertainties. We propose a flexible approach where the decision process is shared between ground and on-board systems.

Mots-Clés / Keywords
Optimisation combinatoire; Observation spatiale; Communications optiques; Combinatorial optimization; Spatial observation; Optical telecommunications;

145257
18200
11/07/2018

Vers des systèmes plus autonomes : contributions autour de la tâche de diagnostic dans une architecture embarquée

E.CHANTHERY

DISCO

Habilitation à diriger des recherches : 11 Juillet 2018, 155p., Président: J.ZAYTOON, Rapporteurs: V.COCQUEMPOT, P.DAGUE, D.LEFEBVRE, Examinateurs: A.SUBIAS, Référente: L.TRAVE-MASSUYES , N° 18200

Lien : https://hal.archives-ouvertes.fr/tel-01882329

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Abstract

In my presentation, I will first review my teaching activities at INSA Toulouse, as well as my various responsibilities. In a second step, I will give the major axes of my research whose objective is to increase the autonomy of systems by designing appropriate and effective fault diagnosis modules. The detection and isolation of faults help the system to react correctly to the different situations it has to face, thus contributing greatly to its autonomy. I will focus on two major points. Firstly, the link between diagnosis and prognosis will be developed in the context of hybrid dynamic systems. The prognosis aims at predicting the future states of the system. A health management architecture will be presented and then a common modeling framework. I will show that this work has made it possible to standardize the joint formalisms of diagnosis and prognosis. A diagnostic algorithm whose results can be interpreted by the prognostic module will be presented. This algorithmic work, followed by an application in the real case of a rover, constitutes a major contribution for the intrinsic coupling of diagnostic and prognostic algorithms. The second point will be distributed and decentralized diagnosis for continuous dynamics systems. Structural analysis will be proposed as a solution for test generation in complex systems. Despite its apparent simplicity, it provides a powerful set of tools for analyzing and inferring information about the system. Moreover, it has the advantage of being applied indifferently to linear and non-linear systems. The presentation will show how the notions of diagnosis have been adapted in the decentralized and distributed framework, up to the formulation of an optimization problem linked to the choice of a subset of subsystem-level diagnostic tests. . Finally, the last part of my presentation will focus on my research project and present my perspectives for future years.

Résumé

Dans ma présentation d’HDR, j’exposerai dans un premier temps mes activités d’enseignement à l’INSA de Toulouse, ainsi que mes diverses responsabilités et investissements. Dans un deuxième temps, je donnerai les grands axes de ma recherche dont l’objectif est d’accroitre l’autonomie des systèmes en concevant des modules de diagnostic de fautes efficaces et adaptés. La détection et l’isolation des fautes qui peuvent survenir permettent en effet au système de réagir correctement aux différentes situations dans lesquelles il se trouve, contribuant ainsi grandement à son autonomie. Je me focaliserai sur deux points particuliers. Tout d’abord le lien entre le diagnostic et le pronostic sera développé dans le cadre des systèmes à dynamiques hybrides, le pronostic consistant à prédire les états futurs du système. Une architecture de gestion de santé sera présentée puis un cadre commun de modélisation. Je montrerai que ce travail a permis d’uniformiser les formalismes conjoints de diagnostic et de pronostic. Un algorithme de diagnostic dont les résultats sont interprétables par le module de pronostic sera présenté. Ce travail algorithmique, suivi d'une application dans un cas réel de rover, constitue une contribution majeure pour le couplage intrinsèque d’algorithmes de diagnostic et de pronostic. Le deuxième point portera sur le diagnostic décentralisé et distribué pour des systèmes à dynamique continue. L’analyse structurelle sera proposée comme solution pour la génération de tests dans le cadre des systèmes complexes. Malgré son apparente simplicité, cette dernière fournit un ensemble d'outils puissants pour analyser et inférer des informations sur le système. Par ailleurs, elle a l'avantage de s'appliquer indifféremment aux systèmes linéaires et non linéaires. L’exposé montrera comment les notions de diagnostic ont été adaptées dans le cadre décentralisé et distribué, jusqu’à la formulation d’un problème d'optimisation lié au choix d'un sous-ensemble de tests de diagnostic au niveau des sous-systèmes. Enfin, la dernière partie de mon exposé portera sur mon projet de recherche et présentera mes perspectives pour les années futures.

Mots-Clés / Keywords
Diagnostic; Pronostic; Systèmes autonomes; Approche décentralisée; Approche distribuée; Sélection de tests; Autonomous systems; Decentralized approach; Distributed approach; Test selection;

144117
18393
03/07/2018

Codes et jeux de soustraction et de poursuite dans les graphes

P.COUPECHOUX

ROC

Doctorat : INSA de Toulouse, 3 Juillet 2018, 118p., Président: M.J.HUGUET, Rapporteurs: E.DUCHENE, A.QUILLOT, Examinateurs: P.VALICOV, A.PINLOU, Directeurs de thèse: J.MONCEL , N° 18393

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Abstract

Identifying codes were introduced in 1998 by Karpovsky, Chakrabarty and Levitin. An identifying code is a subgraph such that each vertex is uniquely identified by the vertices in its neighborhood. There are several variants of these codes, including a colored version where the vertices are identified by the colors in their neighborhood. In this phd, we want to build an identifying coloring of a large cycle, given a fixed number of colors. We also studied identified codes in a certain class of oriented graphs: tournaments. We have also studied some topics in the game theory. The first one is a generalization of octal games, where we play on a graph instead of a heap. More precisely, the 0.33 game; each player can remove one or two vertices in a graph, with no disconnection allowed. The first player who cannot play loses. We studied this game in some graph classes: subdivided stars and subdivided bistars. The other game is called the Firefighter game. It's a one player game! , where this one wants to contain a spreading fire in a graph. We solved a conjecture about this game, and introduced the online version of the game, for which we found some approximation results.

Abstract

Les codes identifiants ont été introduits en 1998 par Karpovsky, Chakrabarty et Levitin. Un code identifiant est un sous-graphe tel que chaque sommet est identifié de manière unique par les sommets du code qui l'entourent. Il existe plusieurs variantes de ces codes, dont notamment une version colorée dans laquelle les sommets sont identifiés par les couleurs dans leur voisinage. Dans cette thèse, nous cherchons en particulier à construire un cycle le plus grand possible qui admette une coloration identifiante, étant donné un nombre de couleurs fixé. Nous avons aussi étudié le problème des codes identifiants sur une classe particulière de graphes orientés : les tournois. Dans une seconde partie, nous avons aussi étudié deux jeux particuliers. Le premier est une généralisation des jeux octaux - qui se jouent normalement sur un tas - aux graphes. Plus précisemment, le jeu 0.33 ; chaque joueur peut retirer un ou deux sommets voisins d'un graphe, sans déc! onnecter ce dernier. Le premier qui ne peut plus jouer perd. Nous avons été capable de caractériser les issues de ce jeu dans des classes de graphes particulières, les étoiles subdivisées et les bi-étoiles subdivisées. Le second jeu est appelé le jeu du Pompier (Firefighter). Il consiste à arrêter un feu qui se propage dans un graphe en protégeant des sommets à chaque tour. Nous avons résolu une conjecture sur ce jeu, et introduit la version online, pour laquelle nous avons pu donner des résultats d'approximation.

Mots-Clés / Keywords
Théorie des graphes; Théorie des jeux; Codes identifiants; Colorations identifiantes; 0.33; Firefighter; Graphs theory; Game theory; Identifying codes;

145353
18350
28/06/2018

Le contrôle d’attitude des satellites, support et projet de recherche en automatique

C.PITTET

MAC

Habilitation à diriger des recherches : 28 Juin 2018, 236p., Président: J.P.RAYMOND, Rapporteurs: L.DUGARD, H.PIET-LAHANIER, B.CLEMENT, Examinateurs: J.DAAFOUZ, E.LAROCHE, Directeurs de thèse: S.TARBOURIECH , N° 18350

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Abstract

The research activities presented deal with satellite attitude control which is the control of the position and angular velocity of the three axes of rotation of the solid body around its center of inertia. This problem, which obviously has several existing and commonly used solutions in the industry, is an interesting and more complex application than it appears for automatic control research activities. The research results come either from internal work carried out at CNES or from work carried out with external partners (industrial contractors and research laboratories) in the context of research and technology (R&T) studies or PhDs. The work is divided into two main parts: attitude control, first as a research application, then as a research project. In the first part, we present different control results and attitude estimation based on either a linearized model (robustness analysis and control, linear time varying control) or a nonlinear model of the satellite (constrained control, dynamic inversion). In the second part, short-term and longer-term research perspectives are discussed.

Résumé

Les activités de recherche présentées portent sur le contrôle d’attitude des satellites, c’est-à-dire l’asservissement de la position et vitesse angulaire des trois axes de rotation du corps solide autour de son centre d’inertie. Ce problème qui a évidemment plusieurs solutions existantes et couramment utilisées dans l’industrie, est un support intéressant et plus complexe qu’il n’y parait pour des activités de recherche en automatique. Les résultats de recherche sont issus soit de travaux internes menés au CNES, soit de travaux menés avec des partenaires extérieurs (maîtres d’œuvre industriels et laboratoires de recherche) dans le cadre d’études de recherche et technologies (R&T) ou de thèses. Les travaux s’articulent en deux grandes parties : le contrôle d’attitude d’abord comme support de recherche, puis comme projet de recherche. Dans la première partie, nous présentons différents résultats de commande et estimation d’attitude basés soit sur un modèle linéarisé (commande et analyse robuste, commande linéaire à temps variant), soit sur un modèle non-linéaire du satellite (commande contrainte, inversion dynamique). Dans la deuxième partie, des perspectives de recherche à court et plus long terme sont abordées.

Mots-Clés / Keywords
Contrôle d’attitude de satellite; Satellites; Modélisation; Commande; Estimation; Attitude control (AOCS); Modelling; Control;

145073
18078
26/01/2018

Modeling and control of a wing at low Reynolds number with high amplitude aeroelastic oscillations

F.NIEL

MAC

Doctorat : ISAE de Toulouse, 26 Janvier 2018, 176p., Président: I.QEUINNEC, Rapporteurs: M.LOVERA, M.JUNGER, Examinateurs: G.VALMORBIDA, C.POUSSOT-VASSAL, Directeurs de thèse: L.ZACCARIAN, A.SEURET , N° 18078

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01763500

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Résumé

A fort angles d'attaque ou à faible nombre de Reynolds, l'écoulement sur les ailes d'avion ou les pales d'hélicoptères ou d'éoliennes peut se séparer, ce qui peut éventuellement mener à des couplages aéroélastiques tels que le phénomène de flottement (flutter). Ces instabilités peuvent être particulièrement limitantes pour de nombreuses applications, voire destructrices. L'objectif de cette thèse est de s'intéresser à la modélisation et au contrôle d'une aile oscillant dans des conditions de flutter ainsi que de fournir une approche générale pour aborder ce problème. Tout d'abord, un modèle aéroélastique est développé en s'appuyant sur de précédents travaux. Le modèle est une extension de celui proposé par Goman-Khrabrov, et modifié par Williams, par l'utilisation du modèle ONERA BH. Si la première composante de ce modèle permet de rendre compte du phénomène d'hystérésis des charges aérodynamiques d'une aile en oscillation, la seconde permet d'inclure le détachement des tourbillons ainsi que le phénomène de décrochage dynamique qui peut être observé. Cette seconde composante est particuli èrement délicate à prédire alors qu'elle joue un rôle important dans la dynamique de l'aile. Le modèle aérodynamique est alors entraîné et comparé avec succès aux résultats expérimentaux obtenus pour une aile rigide de type NACA 0018 oscillant autour de son axe de tangage. Ce modèle, comme de nombreux modèles aéroélastiques ou aérodynamiques, souffre d'une complexité inhérente et de non-linéarités qui rendent son analyse et son contrôle particulièrement compliqués du point de vue de l'automatique. Pour cette raison, l'ensemble d'équations a été modiffié afin d'inclure les non-linéarités dans une formulation polytopique dont les paramètres sont incertains. Des stratégies dédiées aux systèmes à temps invariant sont alors étendues aux systèmes polytopiques. De plus, les saturations en vitesse ou en position qui sont un problème majeur et récurent de la dynamique du vol, sont considérées comme une contrainte supplémentaire dans la boucle d'asservissement. S'appuyant sur la théorie de la commande linéaire quadratique, plusieurs théorèmes sont alors développés en utilisant une formulation à partir des inégalités des matrices linéaires, afin de permettre non seulement de synthétiser un correcteur stabilisant mais aussi de définir une région d'attraction. Les théorèmes sont alors appliqués avec succès au cas du ottement de décrochage (stall utter), stabilisant le système en boucle fermée en présence de saturations en position et en vitesse, ce qui montre le potentiel des contributions développées dans ce travail de thèse.

Abstract

At high angles of attack or low Reynolds number, aircraft wings or blades of helicopters or even wind turbines may encounter separation of the ow which can eventually lead to aeroelastic couplings such as utter. These instabilities can be particularly destructive and are limiting for numerous applications. This thesis aims at considering the aeroelastic modeling and control of a pitching wing in utter conditions and at providing a general approach to tackle this problem. First, an aeroelastic model is developed based on previous works. This model provides an extension of the model proposed by Goman-Khrabrov, and modi ed by Williams, using the ONERA BH model. If the rst component of the model captures the hysteresis of the aerodynamic load of a pitching wing, the second one allows us to capture the vortex shedding and dynamic stall model which can be observed. This second component is particularly challenging to predict, while it plays an important role in the dynamics of the wing. The aerodynamic model is then trained and successfully compared to experimental data for a NACA 0018 rigid wing undergoing pitch oscillations at low Reynolds number. This model, like many aeroelastic or aerodynamic models, su ers from its inherent complexity and nonlinearities which make its analysis and control highly complicated with respect to the automatic control point of view. For this reason, the set of equations is conveniently manipulated to encapsulate the nonlinearities in a polytopic formulation with unknown parameters. Then, control strategies dedicated to linear time invariant systems are derived to account for this polytopic formulation. In addition, rate and magnitudes saturations are a major and recurrent issue in ight control and are also considered as an additional constraint in the control loop. Based on linear quadratic regulation theory, several theorems are developed using framework of linear matrix inequalities and allow not only to synthesize a stabilizing controller but also to de ne the region of attraction. The theorems are then applied to solve the problem of stall utter and successfully stabilize the closed-loop system in presence of rate and magnitude saturations, which demonstrate the potential of the contributions developed within this PhD approach.

Mots-Clés / Keywords
Flow control; Stability and control for non-linear systems; Aeroelasticity; Saturation; LQR control; LMI; Contrôle des écoulements; Stabilité et contrôle de systèmes non-linéaires; Aéroélasticité; Contrôle LQR;

143034
18006
25/01/2018

Stratégies de maintien à poste pour un satellite géostationnaire à propulsion tout électrique

C.GAZZINO

MAC

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, Janvier 2018, 342p., Président: D.ALAZARD, Rapporteurs: H.ZIDANI, J.B.CAILLAU, Examinateurs: P.MARTINON, M.LOVERA, Directeurs de thèse: D.ARZELIER, C.LOUEMBET , N° 18006

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01705222

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Abstract

Geostationary spacecraft have to stay above a fixed point of the Earth, on a so-called geostationary Earth orbit. For this orbit, the orbital period of the spacecraft is equal to the rotation period of the Earth. Because of orbital disturbances, spacecraft drift away their station keeping position. It is therefore mandatory to create control strategies in order to make the spacecraft stay in the vicinity of the station keeping position. Due to their high thrust capabilities, chemical thrusters have been widely used. However nowadays electric propulsion based thrusters with their high specific impulse are viable alternative in order to decrease the spacecraft mass or increase its longevity. The use of such a system induce the necessity to handle operational constraints because of the limited on-board power. These operational constraints are difficult to take into account in the mathematical transcription of the station keeping problem in an optimal control problem with control and state constraints. This thesis proposed two techniques in order to solve this optimal control problem. The first one is based on the computation of first order necessary conditions and consists in decomposing the overall problem in three sub-problems, leading to a three-step decomposition method. The first step solves an optimal control problem without the operational constraints. The second steps enforces these operational constraints thanks to dedicated equivalence schemes and the third one optimises the switching times of the control profile thanks to a method borrowed from the switched systems theory. The second proposed method consists in parametrising the on-off control profile with binary functions. After a time discretisation of the station keeping horizons, the operational constraints are easily recast as linear constraints on integer variables, the dynamics is numerically integrated and the station keeping problem is recast as a mixed integer linear programming problem. After the resolution of the problem over a short time horizon of one week, the station keeping problem is solved over a long time horizon of one year. To this end, the long time horizon is split in shorter horizons over which the problem is successively solved. End-of-cycle constraints have been set up in order to ensure the feasibility of the solution one short horizon after another.

Résumé

Pour mener à bien leur mission, les satellites de télécommunications doivent rester à la verticale d’un même point de la Terre, sur une orbite dite géostationnaire, pour laquelle la période de révolution des satellites sur leur orbite est identique à la période de rotation de la Terre sur elle-même. Cependant, à cause des perturbations orbitales, les satellites tendent à s’en éloigner, et il est alors nécessaire de concevoir des stratégies de commande pour les maintenir dans un voisinage de cette position de référence. Du fait de leur grande valeur de poussée, les systèmes à propulsion chimique ont largement été utilisés, mais aujourd’hui les systèmes à propulsion électrique avec leur grande impulsion spécifique sont des alternatives viables pour réduire la masse d’ergols du satellite, et ainsi le coût au lancement, ou allonger la durée de vie du satellite, ce qui permettrait de limiter l’encombrement dans l’espace. Cependant, l’utilisation d’un tel système propulsif induit des contraintes opérationnelles issues en partie du caractère limité de la puissance électrique disponible à bord. Ces contraintes sont difficiles à prendre en compte dans la transcription du problème de maintien à poste en un problème de contrôle optimal à consommation minimale avec contraintes sur l’état et le contrôle. Ce manuscrit propose deux approches pour résoudre ce problème de commande optimale. La première, basée sur le développement et l’exploitation de conditions nécessaires d’optimalité, consiste à découper le problème initial en trois sous-problèmes pour former une méthode de résolution à trois étapes. La première étape permet de résoudre un problème de maintien à poste expurgé des contraintes opérationnelles, tandis que la deuxième, initialisée par le résultat de la première, produit une solution assurant le respect de ces dernières contraintes. La troisième étape permet d’optimiser la valeur des instants d’allumage et d’extinction des propulseurs dans le cadre du formalisme des systèmes à commutation. La seconde approche, dite « directe », consiste à paramétrer le profil de commande par une fonction binaire et à le discrétiser sur l’horizon temporel de résolution. Les contraintes opérationnelles sont ainsi facilement transcrites en contraintes linéaires en nombres entiers. Après l’intégration numérique de la dynamique, le problème de contrôle optimal se résume à un problème linéaire en nombres entiers. Après la résolution du problème de maintien à poste sur un horizon court d’une semaine, le problème est résolu sur un horizon long d’un an par résolutions successives sur des horizons courts d’une durée de l’ordre de la semaine. Des contraintes de fin d’horizon court doivent alors être ajoutées afin d’assurer la faisabilité de l’enchaînement des problèmes sur l’horizon court constituant le problème sur l’horizon long.

Mots-Clés / Keywords
Maintien à poste; Satellite GEO; Poussée faible; Contrôle optimal; Station keeping; GEO spacecraft; Low thrust; Optimal control;

142175
17473
19/12/2017

Contributions to the stability analysis and control of Networked Systems

A.SEURET

MAC

Habilitation à diriger des recherches : 19 Décembre 2017, 143p., Président: J.P.RAYMOND, Rapporteurs: J.M.CORON, C.SCHERER, S.HIRCHE, Examinateurs: J.DAAFOUZ, S.I.NICULESCU, C.PRIEUR, J.P.RICHARD, Encadrant: S.TARBOURIECH , N° 17473

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01881095

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Abstract

This manuscript presents a summary of research work and perspectives for obtaining the Habilitation to Conduct Research. This four-chapter document is titled "Stability and Control of Networked Systems". This problem appeared in the 2000s in Automatic aims to take into account the disruptive effects induced by the communication between the different elements of a control loop to ensure its proper operation. Indeed, delays, the possibly asynchronous discretization of the signals, the coding or the quantification can attenuate the performances of the closed loop or even lead to the instability of the controlled system. This manuscript presents in a first chapter a synthetic vision of the various research topics undertaken since 2003 concerning systems with delays, sampled, hybrids, of infinite dimension or even multi-agents. After this introduction, two technical chapters present contributions dealing only with the delayed and sampled input systems. After a general introduction presenting the peculiarities of delay systems, their models, and the temporal methods of analysis, the second chapter exposes different technical tools leading to stability criteria of this class of systems, expressed as linear matrix inequalities. The third chapter deals with the stability analysis of asynchronous sampled linear input systems. After illustrating the issues related to this study, two focuses on the variable delay modeling of the effect of sampling and the use of a new class of Lyapunov functional, constitutes the body of this last technical chapter. Finally, the last chapter presents several research perspectives, mainly related to the analysis, control and observation of heterogeneous systems of infinite dimension.

Résumé

Ce manuscrit présente un résumé des travaux et des perspectives de recherches en vue d’obtenir l’Habilitation à Diriger des Recherches. Ce document, composé de quatre chapitres, est intitulé « stabilité et commande de systèmes en réseaux ». Ce problème apparu dans les années 2000 en Automatique vise à prendre en compte les effets perturbateurs induits par la communication entre les différents éléments d’une boucle de commande afin de garantir son bon fonctionnement. En effet, des retards, la discrétisation possiblement asynchrones des signaux, le codage ou la quantification peuvent atténuer les performances de la boucle fermée voire même conduire à l’instabilité du système contrôlé. Ce manuscrit présente dans un premier chapitre une vision synthétique des divers sujets de recherche entrepris depuis 2003 portant sur les systèmes à retards, échantillonnées, hybrides, de dimension infinie ou encore multi-agents. Après cette introduction, deux chapitres techniques présentent les contributions portant uniquement sur les systèmes à retards et à entrées échantillonnées. Après une introduction générale présentant les particularités des systèmes à retards, leurs modèles, et les méthodes temporelles d’analyse, le second chapitre expose différents outils techniques conduisant à des critères de stabilité de cette classe de systèmes, exprimés sous forme d’inégalités matricielles linéaires. Le troisième chapitre concerne l’analyse de stabilité des systèmes linéaires à entrées échantillonnées asynchrones. Après avoir illustrer les problématiques liées à cette étude, deux focus sur la modélisation par retard variables de l’effet d’un échantillonnage et sur l’utilisation d’une nouvelle classe de fonctionnelles de Lyapunov, constitue le corps de ce dernier chapitre technique. Enfin, le dernier chapitre présente plusieurs perspectives de recherche, principalement liées à l’analyse, au contrôle et à l’observation de systèmes hétérogènes de dimension infinie.

Mots-Clés / Keywords
Systèmes contrôlés en réseau; Lyapunov; LMI; Systèmes linéaires; Retards; Échantillonnage apériodique; Multi-agents; Networked controlled systems; Linear systems; Delay; Aperiodic sampling; Multi-agent systems;

141937
17434
04/12/2017

Inventory routing problems with explicit energy consideration

Y.HE

ROC

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 4 Décembre 2017, 188p., Président: , Rapporteurs: M.G.SPERANZA, F.SEMET, Examinateurs: N.ABSI, D.QUADRI, Directeurs de thèse: N.JOZEFOWIEZ, C.BRIAND , N° 17434

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01675497

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Résumé

Dans le problème de tournées avec gestion de stock ou “Inventory Routing Problem” (IRP), le fournisseur a pour mission de surveiller les niveaux de stock d’un ensemble de clients et gérer leur approvisionnement en prenant simultanément en compte les coûts de transport et de stockage. Etant données les nouvelles exigences de développement durable et de transport écologique, nous étudions l’IRP sous une perspective énergétique, peu de travaux s’étant intéressés à cet aspect. Plus précisément, la thèse identifie les facteurs principaux influençant la consommation d’énergie et évalue les gains potentiels qu’une meilleure planification des approvisionnements permet de réaliser. Un problème relatif à l’approvisionnement en composants de chaînes d’assemblage d’automobiles est tout d’abord considéré pour lequel la masse transportée, la dynamique du véhicule et la distance parcourue sont identifiés comme les principaux facteurs impactant la consommation énergétique. Ce résultat est étendu à l’IRP classique et les gains potentiels en termes d’énergie sont analysés. Un problème industriel de tournées avec gestion de stock est ensuite étudié et résolu, notamment à l’aide d’une méthode de génération de colonnes. Ce problème met en évidence les limitations du modèle IRP classique, ce qui nous a amené à définir un modèle d’IRP plus réaliste. Finalement, une méthode de décomposition basée sur la relaxation lagrangienne est développée pour la résolution de ce problème dans le but de minimiser la consommation énergétique.

Abstract

The thesis studies the Inventory Routing Problem (IRP) with explicit energy consideration. Under the Vendor Managed Inventory (VMI) model, the IRP is an integration of the inventory management and routing, where both inventory storage and transportation costs are taken into account. Under the new sustainability paradigm, green transport and logistics has become an emerging area of study, but few research focus on the ecological aspect of the classical IRP. Since the classical IRP concentrates solely on the economic benefits, it is worth studying under the energy perspective. The thesis gives an estimation of the energetic gain that a better supplying plan can provide. More specifically, this thesis integrates the energy consumption into the decision of the inventory replenishment and routing. It starts with a part supplying problem in car assembly lines, where the transported mass, the vehicle dynamics and the travelled distance are identified as main energy influencing factors. This result is extended to the classical IRP with energy objective to show the potential energy reduction that can be achieved. Then, an industrial challenge of IRP is presented and solved using a column generation approach. This problem put the limitations of the classical IRP model in evidence, which brings us to define a more realistic IRP model on a multigraph. Finally, a Lagrangian relaxation method is presented for solving this new model with the aim of energy minimization.

Mots-Clés / Keywords
Inventory routing problem; Logistics; Energy; Problème de tournées de véhicules avec gestion de stock; Logistique; Energie;

141693
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