Polytech Projets Ge

h1. P14AB01 Capteur pour suivi de cours d'eau

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[[1. Résumé]] 

[[2. Abstract]] 

[[3. Page de remerciement]] 

[[4. Glossaire]] 

[[5. Table des abréviations]] 

[[6. Introduction]]

[[7. Présentation du Sujet]]

p(((. [[1. Présentation du LIRMM]] 

[[2. L'équipe EXPLORE]] 

[[3. Justification du projet et contexte]]

[[8. Cahier des Charges]] 

p(((. [[1. Définition du besoin]] 

[[2. Enjeux et risques]] 

[[3. Inter-acteurs]] 

[[4. Cahier des charges fonctionnel]] 

[[9. Developpement]] 

p(((. [[1. Problématiques]] 

[[2. Faisabilité]] 

[[3. Fonctionnement d'une centrale inertielle]] 

[[4. Solutions]] 

p((((. [[1. Acquisition des données]] 

[[2. Stockage des données]] 

[[3. Transmission des données]] 

[[4. Traitement des données]] 

[[5. Fonctionnement du capteur dans l'environnement]] 

[[10. Gestion de Projet]] 

p(((. [[1. W.B.S.]] 

[[2. Gantt]]

[[11. Notes d'application]] 

p(((. [[1. sujet 1]] 

[[2. sujet 2]] 

[[12. Bilan]] 

[[1. Etat d'avancement]] 

[[2. Analyse Critique]] 

[[3. Perspectives]] 

[[13. Conclusion]] 

[[14. Bibliographie]] 

[[15. Annexes]] 

*Résumé*

L'équipe EXPLORE du LIRMM étudie les trajectoires des cours d'eau souterrains à proximité de l'agglomération de Montpellier dans le but de construire une troisième pompe à eau afin d'améliorer l'alimentation de la ville en eau. Pour cela, l'équipe EXPLORE utilise des mini-véhicules sous-marins autoguidés relié à une interface homme machine par des câbles de données et d'alimentation, ceux-ci provoquent un effet de trainée qui limite le déplacement de ces mini-véhicules sous-marins à quelques centaines de mètres de leur point de départ. L'équipe EXPLORE souhaite cartographier les cours d'eau sur de plus longues distances et c’est le but de ce projet.

Dans le cadre de notre formation d'ingénieur du génie électrique à Polytech Clermont-Ferrand, nous avons l'opportunité de travailler sur un projet pour le LIRMM. Ce projet consiste à réaliser un capteur permettant de cartographier des cours d'eau souterrains (réseaux karstiques). Ce rapport présentera donc la partie avant-projet de ce projet et les différentes étapes à effectuer pour la réaliser. 

*+Mots clés :+*

Cartographie

EXPLORE

LIRMM

Réseau karstique

Robotique sous-marine

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*Abstract*

The EXPLORE team of the Laboratory LIRMM studies the trajectories of the subterranean streams near the city of Montpellier with the aim of building the third water pump to improve the supply of the city with water. For it, the EXPLORE team uses self-guided submarine mini-vehicles. Connected with an human-machine interface by cables of data and supply, these cause drag effects which limits the movement of these submarine mini-vehicle a few hundred meters away from their starting point. Nevertheless the EXPLORE team wishes to map streams on longer distances and this is the aim of this project.

In the context of our engineering electrical at Polytech Clermont-Ferrand, we had the opportunity to work on a project for the laboratory LIRMM of Montpellier. This project consists in realizing a sensor allowing to map subterranean streams (karstic networks). This report will thus present the draft of this project in general and the various stages to be made to realize it.

*+Keywords :+*

Cartography

EXPLORE team

Karstic networks

LIRMM

Underwater robotics

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*Page de remerciement*

Nous tenons à remercier tout d'abord les intervenants qui nous ont beaucoup aidé durant toute la durée de l'avant-projet : notre client Sébastien Druon, notre responsable de projet Sébastien Lengagne et notre tuteur industriel Pascal Fickinger. Nous remercions également tous les autres enseignants de génie électrique de Polytech Clermont-Ferrand et en particulier : Véronique Quanquin, enseignante en communication, et Jacques Laffont, responsable de projet, pour leurs précieux conseils.

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*Glossaire*

*Aqueux :* qui contient de l’eau.

*Ballast :* Un ballast est un réservoir d'eau de grande contenance équipant certains navires. Il est destiné à être rempli ou vidangé d'eau de mer afin d'optimiser la navigation (Wikipédia 1, 2014).

*Cartographie :* désigne la réalisation et l’étude des cartes géographiques et géologiques. Le principe majeur de la cartographie est la représentation de données sur un support réduit représentant un espace généralement tenu pour réel.

*Centrale inertielle :* instrument utilisé en navigation capable d’intégrer les mouvements d’un mobile (accélération et vitesse angulaire) pour estimer son orientation, sa vitesse linéaire et sa position. Ces estimations sont relatives au point de départ ou au dernier point de recalage.

*Faisabilité :* correspond à une étude, dans le cadre de la gestion d’un projet, qui s’attache à vérifier que le projet soit techniquement faisable et économiquement viable.

*Flottabilité nulle :* qui se maintient entre deux eaux.

*Inter-acteur :* élément agissant avec le système à concevoir.

*Odométrie :* technique permettant d'estimer la position d'un véhicule en mouvement à partir d’une position initiale connue.

*Problématique :* présentation d’un problème sous différents aspects. Elle permet de poser le problème de recherche et de faire ressortir les informations pertinentes.

*QQOQCCP :* méthode résumant une méthode empirique de questionnement, c’est une phase préalable de questionnement systématique et exhaustif.

*Réseau karstique :* ensemble de galeries, salles, gouffres, puits et cheminées formant un tout, c'est à dire un ensemble de cavités.

*Trainée :* force qui s'oppose au mouvement d'un corps dans un liquide ou un gaz

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*Tables des abréviations*

*CNRS :* Centre National de la Recherche Scientifique.

*IMU :* Inertial Measurement Unit.

*LIRMM :* Laboratoire d’Informatique, de Robotique et de Microélectronique de Montpellier.

*QQOQCCP :* Qui ? Quoi ? Où ? Quand ? Comment ? Combien ? Pourquoi ?

*UM2 :* Université Montpellier 2.

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*Introduction*

Pour une formation complète et une préparation à la vie professionnelle, le département du génie électrique de Polytech Clermont-Ferrand offre l’opportunité de mener des projets industriels ou de recherche. C’est dans cette optique que nous avons été chargés de travailler sur le projet «Capteur pour suivi de cours d’eau». Ce projet a été proposé par l’équipe EXPLORE du LIRMM, et ce dans le cadre de leur recherche en robotique mobile pour l'exploration de l'environnement marin.

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p<. Mini-véhicule sous marin AC-ROV.

L’étude de ce projet sera mener durant les deux dernières années de notre cursus et ainsi, le travail sera subdivisé en 2 parties :

p(((. - L’avant-projet en GE4 (48 heures),

- La réalisation en GE5 (140 heures).

Ce rapport résume l’avant-projet du projet global et va se décomposer en plusieurs parties représentant les étapes de réalisation de l’avant-projet. Tout d’abord, il est important de bien connaitre le contexte dans lequel le projet a été conçu et va être utilisé. C’est pourquoi nous allons présenter le sujet et l’équipe du LIRMM qui en a fait la demande. Ensuite nous allons définir le cahier des charges du projet en identifiant le besoin de celui-ci, les risques susceptibles d’être rencontrés lors de sa réalisation et les inter-acteurs du produit final. Nous continuons par entrer dans le vif du sujet en développement les problématiques posées par le projet, sa faisabilité, les solutions disponibles pour le réaliser et les solutions qui ont été retenues. Enfin nous aborderons la gestion propre du projet et comment nous nous sommes organiser pour le réaliser dans un temps imparti via une représentation de celui-ci sous forme de W.B.S. et de Gantt avant de conclure. 

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*Présentation du Sujet*

*Présentation du LIRMM*

Le LIRMM est un laboratoire de recherche dépendant de l’UM2 ainsi que du CNRS. Il se situe sur le Campus Saint-Priest de l’UM2 (LIRMM, 2014). Le LIRMM emploie 422 personnes dont 204 personnels permanents et 155 doctorants répartit dans les trois départements de recherche du laboratoire :

p(((. • informatique,

• microélectronique,

• robotique.

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p<. Bâtiments du LIRMM.

Chaque département est composé de plusieurs équipes travaillant sur des points précis de leur spécialisation. 

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*L'équipe EXPLORE*

Créée en 2012, l’équipe EXPLORE fait partie du département robotique et a pour but de développer la recherche en robotique mobile pour les milieux terrestres, marins et aériens. EXPLORE aborde de nombreux thèmes tels que :

p(((. •Le contrôle de mouvement,

• la perception,

• la localisation,

•la cartographie.

Le développement d’outils théoriques et expérimentaux au sein de cette équipe permet de proposer des solutions innovantes qui sont ensuite implantées sur les robots de l’équipe EXPLORE au travers d’une architecture structurée et tolérante aux fautes.

p<. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16036/explore_20140508205020_20140508205319.jpg!

p<. Thématiques d'EXPLORE.

Le projet proposé aborde les thèmes de la localisation et de la cartographie.

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*Justification du projet et contexte*

Le principal but de ce projet est la conception d’un capteur permettant de cartographier des cours d’eau souterrains sur des longues distances afin de reconstruire la trajectoire en trois dimensions de ces cours d’eau. Aujourd’hui cela est déjà possible avec des systèmes spécifiques comme l’utilisation de mini-véhicule sous-marins mais le coût de ces appareils reste très élevé. De plus, le fait d’avoir des effets de trainées à cause de l’utilisation de câbles lors de leur utilisation reste un problème majeur pour parcourir de longues distances. C’est pour cette raison que l’équipe EXPLORE cherche à concevoir un système coûtant moins cher et autonome en navigation qu’on laissera dériver dans l’eau afin qu’il cartographie la trajectoire du cours d’eau au fur et à mesure de sa traversée. Le but étant d’envoyer un certain nombre de ces capteurs dans un cours d’eau et de comparer les résultats obtenus d’où l’importance du faible coût d’un capteur.

L’étude du projet sera faite suivant trois axes principaux :

p(((. • la conception du capteur,

• la transmission des données inertielles,

• le traitement de ces données.

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Principe du projet.

La cartographie de ces cours d’eau permettra de déterminer si ceux-ci sont utilisables ou non pour alimenter une nouvelle station de pompage (la troisième) destinée à la ville de Montpellier.

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*Cahier des Charges*

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*Définition du besoin*

La méthode du QQOQCCP permet de préparer l’analyse du projet et de rendre compte du problème posé par celui-ci. C’est une phase de questionnement systématique et exhaustif (Wikipédia 2, 2014). Elle est résumée par le tableau suivant :

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QQOQCCP.

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*Enjeux et risques*

Ce projet permettra de cartographier des cours d’eau souterrains ou aériens pendant 24 heures successives et de tracer la trajectoire en trois dimensions de ces cours d’eau. De plus, il retournera l’orientation du capteur utilisé lors de la cartographie et déterminera donc les changements de courant au sein du réseau karstique.

Ce projet apportera un changement dans la manière de cartographier les cours d’eau souterrains. Actuellement des mini-véhicules sous-marins, alimenté par des câbles électriques, permettent cette cartographie mais l’effet de trainée de ces câbles les empêchent une cartographie sur de longues distances. L’aboutissement de ce projet apporterait plus de facilités dans la cartographie d’un cours d’eau passant essentiellement par un capteur autonome en tous points.

La mise au point d’un tel projet implique des risques quant à sa réalisation. Le risque le plus important est une mauvaise précision apportée par des données inertielles sur le long terme au point où celle-ci ne serait plus acceptable. L’autre risque important est l’impossibilité de transmettre les données inertielles, obtenues par le capteur, via une liaison sans fil dans un environnement aqueux et karstique.

Des pistes sont données dans la suite de ce rapport afin de résoudre ces problèmes mais nécessite d’effectuer des tests pour valider leur fonctionnement.

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*Inter-acteurs*

L’élaboration du cahier des charges passe par la détermination des acteurs agissant avec le système à concevoir. Ils sont appelés inter-acteurs et peuvent, dans notre cas se résumer au travers du schéma suivant :

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Inter-acteurs.

Ce schéma défini l’environnement du système et les contraintes qui lui seront appliquées une fois en application. Tout d’abord, ce capteur évoluera dans des réseaux karstiques aqueux, il devra donc fonctionner sous l’eau et résister aux conditions ambiantes du milieu car une des contraintes imposées par le client consiste à élaborer un système possédant une flottabilité nulle. De plus, ce capteur devra récupérer des données et les stocker dans une mémoire jusqu’à ce qu’elles puissent être transmises à une unité de traitement qui permettra d’obtenir la trajectoire du capteur au travers des données que celui-ci aura récolté.

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*Cahier des charges fonctionnel*

Le cahier des charges fonctionnel permet de formuler le besoin, au moyen de fonctions détaillant les services rendus par le système, et les contraintes, appliquées par le client ou les inter-acteurs du système, auxquelles il sera soumis. De plus, il est important de spécifier à chaque fonction et à chaque contrainte leur critère. Ce cahier des charges fonctionnel peut se résumer sous la forme d’un tableau disponible ci-dessous :

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Fonctions et contraintes.

Le système a été divisé en fonction des fonctions que celui-ci doit effectuer cycliquement. En reprenant le schéma des inter-acteurs, on peut déduire que le système doit, tout d’abord, acquérir les données (fonction 1) puis les stocker (fonction 2), ensuite il doit les transmettre (fonction 3) à une machine qui va traiter ces données (fonction 4). Bien entendu, toutes ces opérations doivent pouvoir s’exécuter dans l’environnement d’utilisation du système, dans notre cas un environnement aqueux (fonction 5 et contraintes).

Maintenant que le cahier des charges a été détaillé, passons à l’étude de solutions permettant de réaliser ces différentes fonctions.

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*Developpement*

Cette partie sera décomposée en plusieurs sous parties. Dans un premier temps, nous vous présenterons les problématiques du projet. Ensuite, nous détaillerons la faisabilité d’un tel projet et nous ferons une étude théorique sur le principe de la navigation inertielle ainsi que les différentes technologies susceptibles d'être utilisées afin de réaliser le projet. Enfin nous expliquerons quelles seront les solutions retenues et pourquoi.

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*Problématiques*

Les problématiques, liées au projet, découlent directement des différentes fonctions énumérées dans le cahier des charges. Elles permettent d’identifier les principaux problèmes rencontrés lors de l’étude du projet et permettent ainsi de les résoudre plus facilement.

Dans un premier temps, nous devons créer le capteur permettant d’acquérir les données nécessaires à la reconstruction de sa trajectoire. Nous devons, pour cela, chercher les différentes technologies qui peuvent exister pour acquérir ces données. Dans nos recherches, nous nous sommes orientés vers les systèmes de navigation, plus précisément vers les centrales inertielles dont le fonctionnement vous sera décrit plus avant dans ce rapport. Elles sont utilisées couramment comme instrument de navigation pour intégrer le mouvement d’un mobile. Notre étude sera donc basée sur son fonctionnement et son utilisation qui nous permettrons de répondre aux besoins exprimés par la première fonction du cahier des charges : l’acquisition des données.

Dans un second temps, nous devons réaliser la transmission des données du capteur à l’unité de traitement via une technologie sans fil. La transmission de données se fait généralement avec des fréquences relativement hautes. Par exemple, le wifi utilise les fréquences autour de 2.4 GHz, la 3G utilise la bande de fréquence 5 GHz alors que la 4G utilise, quant à elle, les bandes de fréquences entre 800 MHz et 2600 MHz. Le capteur à concevoir évoluant en souterrain et étant immergé, transmettre les données via une technologie sans fil devient compliqué, l’eau ne laissant passer que les basses fréquences et le GPS ne pouvant être fiable à cause des réseaux karstiques que le capteur va devoir traverser. Nous devons résoudre cette problématique de telle sorte que le capteur puisse transmettre des données par liaison sans fil.

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*Faisabilité*

L'étude de faisabilité s'oriente globalement sur la possibilité de concevoir un tel capteur. C'est pour cette raison que l’on a concentré nos recherches sur les différentes possibilités de technologies à employer pour que ce capteur soit susceptible d’exister. Suite à nos recherches, nous avons remarqué que certains instruments déjà utilisés pour la navigation permettaient d’obtenir les données nécessaires à la reconstruction de la trajectoire 3D du capteur. C’est le cas, par exemple, de cet instrument :

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Centrale inertielle F180.

Les caractéristiques de cette centrale sont disponibles en annexe 1 et peuvent se retrouver sur ce site : (CADDEN, 2014).

Cette IMU remplit une bonne partie des critères du cahier des charges. Elle possède une très bonne précision, ces dimensions sont acceptables et son fonctionnement est assuré dans l’eau. Malheureusement, le prix de cet instrument est beaucoup trop élevé pour l’utilisation que voudrait en faire le LIRMM. En effet, laisser dériver un capteur dans un cours d’eau souterrain ne garantit pas que l’on puisse récupérer ledit capteur à n’importe quel endroit du cours d’eau. Il y a donc un risque de perte mais comme les centrales inertielles F185R+ sont chères, le LIRMM ne peut pas prendre ce risque et nous a donc demandé un coût maximal de 200€ euros pour chaque capteur.

Nous restons néanmoins basés sur l’utilisation d’une IMU, car c’est le seul moyen dont nous disposons pour permettre l’acquisition des données nécessaires à la reconstruction de la trajectoire du capteur et donc du cours d’eau. De plus, certaines IMU ont un prix respectant celui du cahier des charges mais sont contrebalancées par une précision moins importante. L’étude théorique qui suit, donne une idée succincte sur le fonctionnement d’une centrale inertielle.

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*Fonctionnement d'une centrale inertielle*

Une centrale inertielle est un équipement de navigation doté des capteurs tels que les accéléromètres et des gyromètres permettant de mesurer, par rapport à un point de départ, la position et l’orientation d’un objet (Wikipédia 3, 2014).

Ces capteurs sont habituellement au nombre de six et d'une précision métrologique :

p(((. • 3 gyromètres mesurant les trois composantes du vecteur de vitesse angulaire (vitesses de roulis, de tangage et de lacet),

• 3 accéléromètres mesurant l’accélération suivant leur axe x, y ou z.

Le calculateur de la centrale inertielle intègre les données de ses six capteurs en temps réel pour obtenir :

p(((. • les angles d'attitude (roulis, tangage et cap) du système,

• le vecteur vitesse du système,

• la position du système.

Tous ces constituants d’une centrale inertielle peuvent être représentés via le schéma ci-après :

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Constituants d'une centrale inertielle.

Le paramètre le plus important d’une centrale inertielle est sa précision d’une itération à l’autre. En effet, le gros défaut des centrales inertielles à coût faible réside dans une précision médiocre et qui nécessite un recalage de la position actuelle de manière régulière. Les erreurs de calculs s’additionnent à mesure que l’on effectue des itérations de calcul de position et on obtient rapidement des incertitudes des plusieurs dizaines de mètres.

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*Solutions*

Chaque fonction peut être résolue de plusieurs manières différentes ce qui inclut donc plusieurs solutions pour résoudre chaque problème.

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*Acquisition des données*

L’étude de faisabilité nous a montré que seule la navigation inertielle est une solution viable pour réaliser le projet tout simplement car la navigation inertielle est le seul moyen actuellement disponible pour calculer une position relativement à une position de départ. Cette technologie s’utilise au travers d’une centrale inertielle, que nous avons détaillée dans la partie précédente. Par exemple, cette centrale inertielle conviendrait :