Contribution au développement de stratégies de diagnostic à base de modèles pour les véhicules spatiaux

De
Publié par

Sous la direction de Ali Zolghadri
Thèse soutenue le 29 juin 2009: Bordeaux 1
Résumé :
-Véhicules spatiaux
abstract :
Source: http://www.theses.fr/2009BOR13813/document
Publié le : lundi 19 mars 2012
Lecture(s) : 71
Nombre de pages : 234
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N° d’ordre: 3813
THÈSE

PRÉSENTÉE À

L’UNIVERSITÉ BORDEAUX I

ÉCOLE DOCTORALE DES SCIENCES PHYSIQUES ET DE L’INGENIEUR

PAR

ALEXANDRE FALCOZ

POUR OBTENIR LE GRADE DE

DOCTEUR

SPÉCIALITÉ : AUTOMATIQUE, PRODUCTIQUE, SIGNAL ET IMAGE


Contribution au développement de stratégies de diagnostic
à base de modèles pour les véhicules spatiaux

- Application à une mission de rentrée atmosphérique -


Après avis de :
Louise TRAVÉ-MASSUYÈS Rapporteurs
Dominique SAUTER

Devant la commission d'examen formée de :


Examinateurs Louise TRAVÉ-MASSUYÈS Directrice de Recherche, LAAS-CNRS, Toulouse
Dominique SAUTER Professeur, Université Henri Poincaré, Nancy
Martine GANET EADS Astrium, Les Mureaux, France
Agence Spatiale Européenne, Noordwijk, Pays-Bas Eric BORNSCHLEGL
Pascal FOUILLAT Professeur, Université Bordeaux I
David HENRY Maître de conférences (HDR), Université Bordeaux I
Ali ZOLGHADRI Professeur, Université Bordeaux I

Invité d’honneur:

Jean-Loup CHRETIEN Astronaute, CNES / NASA


- 2009 -

Laboratoire de l’Intégration du Matériau au Système (IMS UMR CNRS 5218) - Département LAPS - Université Bordeaux I -
École Nationale Supérieure d'Electronique, Informatique et Radiocommunications de Bordeaux (ENSEIRB)
351 cours de la Libération - 33405 TALENCE cedex - FRANCE

Remerciements
En pr´eambule de ce m´emoire, je souhaite adresser ici tous mes remerciements aux
personnes qui m’ont apport´e leur aide et qui ont ainsi contribu´e `a l’´elaboration de ces
travaux de recherche.
En premier lieu, ma reconnaissance s’adresse conjointement `a Messieurs Ali Zolghadri et
David Henry pour leur double encadrement particuli`erement efficace dans la conduite de
ces travaux.
Merci donc`aMonsieur AliZolghadri,Professeur `al’Universit´e BordeauxI,etresponsable
1del’´equipederecherche ARIA ,qui aencadr´ecetteth`ese. Saconfiancenem’ajamaisfait
d´efautetilaconstammentport´eunregardcritique,ouvertetconstructifsurmestravaux.
En d´epit d’un emploi du temps fort charg´e, j’ai conscience des efforts qu’il a du fournir
pour se rendre disponible, particuli`erement durant la phase de r´edaction de ce manuscrit.
Mes remerciements vont ´egalement `a mon co-directeur de th`ese Monsieur David Henry,
Maˆıtre de conf´erence habilit´e `a l’Universit´e Bordeaux I. A la fois pertinent et p´edagogue,
il a toujours su m’encourager et la r´eussite de cette th`ese tient essentiellement `a son ac-
compagnement et son expertise d’une qualit´e inestimable.
QueMadameLouise Trav´e-Massuy`es, directrice derecherche auLaboratoired’Analyse et
d’Architecture des Syst`emes (LAAS) de Toulouse et Monsieur Dominique Sauter, Profes-
seur des Universit´es auCentre de Recherche enAutomatique de Nancy (CRAN) trouvent
ici l’expression de ma profonde gratitude pour avoir accept´e d’expertiser mon m´emoire.
Merci pour leurs conseils et leurs remarques qui ont particip´e `a la pertinence et la clarifi-
cation de ce dernier.
J’adresse ´egalement mes sinc`eres remerciements `a Monsieur Jean-Loup Chr´etien, Astro-
nauteauCNES et `a la NASA, et premier europ´een de l’Ouest dans l’espace, pour m’avoir
fait l’immense honneur de participer `a mon jury de th`ese. C’est un v´eritable privil`ege que
de pouvoir pr´esenter mes travaux de recherche devant un pionnier et une figure embl´ema-
tique de l’aventure spatiale.
Mareconnaissanceva´egalementauxpartenairesindustrielsduprojetquim’ontaccompa-
gn´edansmesd´emarches scientifiques. Jeremercie plusparticuli`erement MadameMartine
1. Approche Robuste et Int´egr´ee de l’Automatique.
1Remerciements
Ganet, EADS Astrium Space Transportation, et Monsieur Eric Bornschlegl de l’Agence
SpatialeEurop´eenne pourm’avoir´epaul´eet prodigu´edepr´ecieux conseils durantces trois
ann´ees de th`ese. Un grand merci `a vous deux pour votre soutien et votre investissement
concernant mon avenir professionnel dans l’a´erospatial.
Je remercie Monsieur Christian Philippe, responsable du d´epartement GNC de l’Agence
Spatiale Europ´eenne, pour m’avoir accueilli au sein de son ´equipe lors de mon s´ejour aux
Pays-Bas.
Un petit clin d’oeil `a Monsieur Samir Bennani, Docteur `a l’Agence Spatiale Europ´eenne,
etson´epouseCoraliespourleurbonnehumeur,leurg´en´erosit´eainsiqueleurbonnecuisine
et qui ont rendu mon s´ejour fort agr´eable. Merci Samir pour nos nombreux ”Tea Time”
particuli`erement productifs et qui m’ont permis d’am´eliorer la structure de ce m´emoire.
Il serait trop long de toutes les nommer mais je remercie chaleureusement toutes les per-
sonnes ayant contribu´e de pr`es ou de loin `a ce travail. Je pense tout particuli`erement `a
Monsieur Charles Elegbede, EADS Astrium Space Transportation, et Tony Hutinet, Das-
sault System; merci pour leur int´erˆet, leur confiance et pour m’avoir initi´e au domaine
de la suˆret´e de fonctionnement. Merci ´egalement `a tous les membres de l’´equipe ARIA
(Vincent,Loic,Tarek,Christophe,J´erˆome,Ga´etan,PascaletIrwin....etsansoubliernotre
secr´etaireVal´erie)etenparticulier`aMonsieurFrankCazaurang,docteur`al’Universit´ede
Bordeaux Ipour m’avoir donn´e gouˆt`a l’Automatiqueet offertla possibilit´e depoursuivre
mes ´etudes jusqu’au doctorat.
Jenepourraisclorecesremerciementssansavoirunepens´eetr`espersonnelleauxmembres
de ma famille. Je remercie chaleureusement et sans mesure mes parents, ma grand-m`ere
et mon grand-p`ere qui m’ont toujours apport´e le soutien n´ecessaire `a la concr´etisation de
mon projet professionnel et sans lesquels je ne pourrais pr´etendre ˆetre ce que je suis au-
jourd’hui. Merci du fond du coeur `a mes fr`eres Edouard, S´ebastien et Henri pour m’avoir
offert un soutien moral ind´efectible et ”support´e”dans les moments les plus p´enibles.
Enfin, mes derniers mots sont r´eserv´es `a ma tendre et future ´epouse Laurence `a qui j’ex-
prime une pens´ee toute particuli`ere. Tu as toujours ´et´e pr´esente `a mes cˆot´es pour me
soutenir, me conseiller et m’encourager tout au long de ces travaux et grˆace `a toi, j’ai pu
m’´epanouir durant ces trois ann´ees. Ce m´emoire t’est d´edi´e.
2Table des mati`eres
Remerciements 1
Nomenclature 9
Acronymes 13
Table des figures 15
Liste des tableaux 19
Liste des publications 21
Introduction g´en´erale 23
Chapitre 1 Etat de l’art : diagnostic `a base de mod`eles 29
1.1 Position du probl`eme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.2 Techniques `a base d’estimation de variables internes et externes . . . . . . 32
1.2.1 Position du probl`eme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.2.2 Le filtrage de Kalman ´etendu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.2.3 Le filtrage particulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.2.4 Le filtrage de Kalman non parfum´e - UKF . . . . . . . . . . . . . . 40
1.2.5 Formulation explicite des objectifs de diagnostic . . . . . . . . . . . 43
1.3 Techniques `a base d’observateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
1.3.1 Position du probl`eme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
1.3.2 Observateurs `a entr´ees inconnues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
1.3.3 Approche par placement de structure propre . . . . . . . . . . . . . 51
1.4 Techniques par synth`ese directe de filtres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
1.4.1 Motivations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
1.4.2 Utilisation du formalisme LFT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3Table des mati`eres
1.4.3 Techniques par filtrageH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56∞
1.4.4 TechniquesH /H de g´en´eration de r´esidus . . . . . . . . . . . . . 59∞ −
1.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Chapitre 2 Surveillance `a base de mod`eles par synth`ese directe de filtres
de diagnostic 63
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.2 Formulation du probl`eme - contexte LTI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.2.1 Mise sous forme standard du probl`eme . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.2.2 Formulation du probl`eme SDP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.2.3 Post-analyse des performances - la proc´edure de μ -analyse . . . . . 76g
2.2.4 Exemple de simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.2.5 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
2.3 Contexte LPV/LFT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
2.3.1 Formulation du probl`eme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
2.3.2 Mise sous forme standard du probl`eme . . . . . . . . . . . . . . . . 88
2.3.3 Formulation SDP du probl`eme de synth`ese . . . . . . . . . . . . . . 92
2.3.4 Exemple de simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Chapitre 3 Diagnostic de panne des actionneurs du HL20 lors de la phase
d’atterrissage 103
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.2 Pr´esentation d’une mission de rentr´ee atmosph´erique . . . . . . . . . . . . 104
3.2.1 Pr´esentation du v´ehicule HL20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.2.2 Mod`ele non lin´eaire de la dynamique du v´ehicule . . . . . . . . . . 109
3.2.2.1 Equations des forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.2.2.2 Equations des moments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.2.2.3 Relations cin´ematiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.2.2.4 Expressions des forces et moments . . . . . . . . . . . . . 111
3.2.2.5 Mod´elisation de la base de donn´ees a´erodynamiques. . . . 113
3.2.3 Mod`ele d’´etat non lin´eaire de la dynamique du HL20 . . . . . . . . 117
3.2.4 Prise en compte des incertitudes param´etriques . . . . . . . . . . . 117
3.2.5 Mod´elisation des unit´es de contrˆole/commande . . . . . . . . . . . 118
3.2.5.1 Algorithme de guidage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
43.2.5.2 Boucle de contrˆole d’attitude . . . . . . . . . . . . . . . . 119
3.3 S´election et mod´elisation des d´efauts ”actionneur” . . . . . . . . . . . . . . 120
3.3.1 S´election des d´efauts d’actionneurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
3.3.2 Mod´elisation des d´efauts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
3.3.3 Mod`ele au voisinage de la trajectoire de vol . . . . . . . . . . . . . 127
3.4 Synth`ese des filtres de diagnostic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
3.4.1 Formulation du probl`eme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.4.2 Formulation des objectifs de synth`ese . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
3.4.2.1 Objectifs de robustesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
3.4.2.2 Objectifs de sensibilit´e et d’isolation . . . . . . . . . . . . 134
3.4.3 Synth`ese des filtres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
3.4.4 Analyse des r´esultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
3.4.5 Analyse robuste des r´esultats - μ analyse . . . . . . . . . . . . . . 138g
3.4.5.1 Construction des LFT pour laμ analyse . . . . . . . . . 139g
3.4.5.2 Post-analyse des performances. . . . . . . . . . . . . . . . 142
3.4.6 Simulations non lin´eaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
Chapitre 4 Diagnostic de panne des actionneurs du HL20 lors de la phase
TAEM 151
4.1 Position du probl`eme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
4.2 Mod´elisation de la dynamique de l’appareil en phase TAEM . . . . . . . . 153
4.2.1 Mod`ele connexioniste de la base de donn´ees a´erodynamiques en
phase TAEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
4.2.1.1 Mod´elisation par r´eseaux de neurones . . . . . . . . . . . 155
4.2.1.2 Mod`eles des coefficients a´erodynamiques en configuration
lisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
4.2.1.3 Mod`eles des coefficients a´erodynamiques relatifs aux d´e-
flections gouvernes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
4.2.2 Mod`ele d’´etat non lin´eaire du HL20 en phase TAEM . . . . . . . . 162
4.2.3 Architecture GNC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
4.2.3.1 Boucle de contrˆole d’attitude . . . . . . . . . . . . . . . . 164
4.2.3.2 Boucle de contrˆole de position . . . . . . . . . . . . . . . . 166
4.2.3.3 Allocation des gouvernes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
4.2.4 Bilan et validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
5Table des mati`eres
4.3 R´esolution du probl`eme de diagnostic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
4.3.1 Lin´earisation du mod`ele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
4.3.2 Formulation du probl`eme de synth`eseH /H . . . . . . . . . . . . 175∞ −
4.3.3 Post-analyse des performances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
4.4 R´esultats de simulation : phase TAEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
4.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
Conclusions g´en´erales et Perspectives 185
Annexe A D´efinitions des normes utilis´ees 191
A.1 D´efinition de l’espaceL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191q
A.2 D´efinition des normes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
A.2.1 Norme 2 :||.|| . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1912
A.2.2 Norme 2-tronqu´ee d’un signal :||.|| . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191e
A.2.3 NormeH d’une matrice de transfert. . . . . . . . . . . . . . . . . 192∞
A.2.4 NormeH d’une matrice de transfert . . . . . . . . . . . . . . . . . 192−
A.2.5 Normes H et H d’un syst`eme LPV . . . . . . . . . . . . . . . . . 193∞ −
A.2.6 Performances H /H quadratiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194∞ −
Annexe B La valeur singuli`ere structur´ee et sa g´en´eralisation 195
B.0.7 La valeur singuli`ere structur´ee μ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
B.0.8 La valeur singuli`ere structur´ee g´en´eralis´ee μ . . . . . . . . . . . . . 196g
Annexe C Rep`eres de vol utilis´es et caract´eristiques a´erodynamiques du
v´ehicule HL20 199
C.1 Rep`ere terrestre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
C.2 Rep`ere v´ehicule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
C.3 Rep`ere a´erodynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
C.4 Forme litt´erale des coefficients a´erodynamiques : Phase d’atterrissage . . . 202
C.4.1 Coefficients li´ees au ”corps”de l’appareil . . . . . . . . . . . . . . . 202
C.4.2 Coefficients a´erodynamiques li´es aux actionneurs. . . . . . . . . . . 202
C.4.3 Coefficients a´erodynamiques en configuration lisse . . . . . . . . . . 204
Annexe D Identification des d´efauts d’actionneurs du HL20 205
D.1 Position du probl`eme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
D.2 Estimation non lin´eaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
6D.3 Optimisation des hyper-param`etres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
D.4 R´esultats de simulations non lin´eaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
Annexe E Donn´ees relatives `a l’architecture GNC TAEM 215
E.1 Gains de la boucle de contrˆole d’attitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
E.1.1 Boucle lente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
E.1.2 Boucle rapide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
E.2 Gains de la boucle de contrˆole de position . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
E.2.1 Boucle lente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
E.2.2 Boucle rapide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
Bibliographie 219
7Table des mati`eres
8

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