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Optimisation du déploiement et des performances d'un système de positionnement ultrasonique longue portée pour le sous-marin MASKI+

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Babineau, Simon (2019). Optimisation du déploiement et des performances d'un système de positionnement ultrasonique longue portée pour le sous-marin MASKI+. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le présent travail a pour but d’améliorer les performances d’un système de positionnement ultrasonique longue portée lorsqu’utilisé pour positionner le sous-marin MASKI+ dans son environnement d’utilisation typique. Le système de positionnement SouthStar de Desert Star Systems sera utilisé pour les tests. Le sous-marin MASKI+ est un robot sous-marin d’inspection longue portée qui est opéré à distance. Il a été conçu à l’Institut de Recherche d’Hydro-Québec (IREQ) pour permettre l’inspection sécuritaire et efficace des installations immergées d’Hydro-Québec. Les retombées de ces inspections sont estimées à plus de 2 millions de dollars canadiens par année. Les installations immergées sont principalement des barrages hydroélectriques, des galeries d’amenées et des digues de rétention pour les réservoirs. L’environnement où est principalement utilisé le MASKI+ est donc en eau douce et à des profondeurs inférieures à 300 m.

Afin de bien comprendre le contexte d’utilisation du système, une présentation des différentes technologies de positionnement sous-marin sera faite. Un bon nombre de ces technologies sont d’ailleurs également utilisées par le sous-marin MASKI+, comme les capteurs de vitesse à effet Doppler et les systèmes de navigation inertiels. Les avantages et inconvénients de ces technologies de positionnement relatif seront présentés afin de présenter leur complémentarité en relation avec le système de positionnement ultrasonique.

Les différents types de système de positionnement, soit LBL, SBL et USBL, seront par la suite présentés, ainsi que les différents facteurs qui peuvent affecter les performances d’un système de positionnement ultrasonique. Parmi ces derniers, la vitesse du son dans l’eau, les différents effets que son évaluation et sa variation peuvent avoir sur la propagation des pulsations ultrasoniques et le positionnement des balises de référence seront présentés.

Le système SouthStar sera par la suite abordé. Ce dernier appartient à la catégorie de système de positionnement de type LBL. Ce qui le différencie d’un système LBL standard est l’utilisation d’une source de pulsation unique pour réaliser le positionnement. En effet, seule la balise à localiser émet des pulsations ultrasoniques, puisque les balises de référence ne répondent pas à la balise qu’il faut localiser. L’avantage de cette méthode de fonctionnement est d’éviter l’accumulation d’imprécision liée à la propagation des pulsations ultrasoniques pour la réponse des balises de référence.

Les balises de référence prennent leur nom du fait que leur position est connue. Afin de positionner les balises de référence de façon à maintenir une position stable, un système de déploiement a été conçu pour optimiser la performance du système de positionnement. La conception du système de déploiement a dû tenir compte des multiples contraintes associées à l’utilisation du système de positionnement dans l’environnement typique du sous-marin. Le concept choisi fut celui d’un cadre monté sur roues qui s’appuient sur les murs des installations immergées et est ancré au sommet de ces dernières.

Avant d’évaluer les performances du système dans un environnement réel, des tests en piscine ont été réalisés afin de valider le bon fonctionnement du système de positionnement. Ces tests ont également permis de faire ressortir les faiblesses du système vendu par Desert Star Systems, dont des problèmes logiciels et des limitations de modification de paramètres importants.

Pour donner suite à la validation du fonctionnement de base du système de positionnement, des tests en environnement réel ont été réalisés au Port de Montréal. Ces tests ont permis de réaliser des trajets de plus grandes étendues qu’en piscine. Une multitude de cas de figure ont été préparés spécialement pour les tests en environnement réel. Ils représentent différentes configurations de déploiement pour adresser les problématiques qu’il est possible de rencontrer lors de l’inspection de structures immergées. Les tests en environnement réel ont permis de valider l’influence de certains paramètres de déploiement comme la distance entre les murs et les balises de référence, la profondeur de ces dernières et le comportement du système lorsqu’une balise de référence rencontre des problèmes.

Les données recueillies lors des tests en environnement réel ont ensuite été traitées. L’objectif était d’optimiser la performance du positionnement avec le traitement des données brutes. Différentes méthodes ont donc été testées. Les méthodes permettant d’améliorer le plus les performances, et ce même dans des conditions d’utilisations difficiles, sont la calibration de chacune des balises de référence et l’élimination des données aberrantes basée sur la vitesse maximale.

Dans ce travail, un système de déploiement a spécialement été conçu et optimisé pour l’utilisation du système de positionnement ultrasonique dans l’environnement typique d’utilisation du sous-marin MASKI+. Les paramètres d’utilisation de ce système de déploiement ont été établis sur des tests en environnement réel. De plus, des pistes de solution pour l’optimisation des performances du positionnement ont été testées avec succès avec les données recueillies pendant les tests en environnement réel.

Titre traduit

Deployment and performance optimisation of a long range ultrasonic positioning system for the MASKI+ inspection ROV

Résumé traduit

The objective of the present work is to improve the general performances of a long range ultrasonic positioning system when used to position the MASKI+, an inspection Remotely Operating Vehicule (ROV), in its typical work environment. The SouthStar positioning system, which was used for the current tests, is manufactured and sold by Desert Star Systems. The MASKI+, a long range ROV, is primarily used for the inspection of Hydro-Québec’s submerged infrastructures. It was designed entirely at Hydro-Quebec’s Research Institute, specifically with this purpose in mind. The MASKI+ allows a safe and efficient way to monitor the submerged infrastructures’ state. It is estimated to save the company more than 2 million Canadian dollars each year in avoided costs. Hydro-Québec’s submerged infrastructures are mainly hydroelectric dams, headrace tunnels and reservoir dams. The MASKI+’s work environment is fresh water with depths that go up to 300 m.

To ensure a good understanding of the context in which the positioning system is used, different positioning technologies are presented, many of which are also used on the MASKI+. These include Doppler Velocity Logs (DVL) and inertial navigation systems. The advantages and disavantages of those technologies are also presented to highlight their complementarity in relation to the ultrasonic positioning systems.

The different types of ultrasonic positioning systems, LBL, SBL and USBL are briefly described. The different aspects that influence an ultrasonic positioning system’s performance are then explained. Among these are the underwater speed of sound, the effect of its variation on ultrasound propagation and the acoustic equipment’s positioning at the worksite.

The SouthStar positioning system, a LBL system, isn’t a typical LBL system. The major distinctive point is its use of a single pulsation from the ROV to calculate the position. No reply from the reference acoustic microphones is used. This reduces the accumulation of positioning errors caused by the propagation of ultrasonic pulses to estimate distances with the reference microphones.

The reference microphones have known positions. To ensure these positions remained unchanged during the inspections, a deployment system was designed and fabricated during the present work. The design process took into account the many constraints associated with the use of the positioning system of the MASKI+ within its usual environment. The chosen design was a tubular frame on wheels. The frame was rolled down the dam walls and secured at the top of the dam with ropes.

Before the positioning system’s performance could be evaluated, tests were conducted in a pool. These tests were performed to validate the proper functioning of the positioning system and to expose software problems and parameter modification limitations of the SouthStar system sold by Desert Star Systems.

Following the pool tests, performance evaluation tests were conducted at the Port of Montreal. This real life environment is similar to dam inspection. It can even be considered more challenging. These tests allowed the evaluation of different deployment configurations. Among these were the depth and the distances from the walls of the reference microphones.

The data collected was then analysed. To improve the positioning performances, different methods were used. The calibration of the reference’s microphones and discrimination of aberrant positions based on maximum speed proved to be the most beneficial methods.

In the present work, a deployment system was designed for the specific needs of dam inspection with a long range ultrasonic positioning systems. It was later used to gather positioning data in a real world environment. Different methods were then successfully used to improve the positioning results.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie, concentration personnalisée". Comprend des références bibliographiques (pages 99-101).
Mots-clés libres: système de positionnement, ultrasons, LBL, ROV, trilatération, sous-marin, MASKI+
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Gauthier, Guy
Codirecteur:
Codirecteur
Provencher, Luc
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt: 27 janv. 2020 20:09
Dernière modification: 27 janv. 2020 20:09
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2431

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