FR3051782A1 - Dispositif de commande de deplacement, procede et dispositif d'acquisition et de calcul pour celui-ci, ainsi que bras articule de chargement de fluide le comportant. - Google Patents

Abstract

Le dispositif de commande comporte des actionneurs (27-29) pour commander le mouvement du bras dans l'espace depuis une position de stockage, jusqu'à présenter un système de couplage du bras devant une tubulure en vue de son raccordement à celle-ci et depuis la tubulure vers la position de stockage, ainsi que des moyens de calcul (41) adaptés à : - suivre en temps réel le déplacement du système ; - générer, en temps réel, à partir de la position du système déterminée en dernier lieu, une trajectoire de déplacement du système en direction de la tubulure ou de la position de stockage, selon une loi de mouvement à jerk limité ; - calculer des instructions de commande à donner à chacun des actionneurs pour commander le déplacement du système suivant cette loi de mouvement.

Description

La présente invention concerne d’une manière générale les bras articulés de chargement pour le transfert d’un fluide d’un emplacement à un autre (chargement et/ou déchargement).

On entend par fluide, un produit liquide ou gazeux. Il s’agit plus particulièrement de gaz naturel liquéfié, de gaz naturel basse et haute pression, de produits pétroliers ou chimiques transférés entre un navire et un quai ou entre deux navires.

Plus particulièrement, la présente invention concerne des dispositifs de commande de déplacement, de positionnement et de raccordement (on utilise aussi le terme « connexion >>) de tels bras de chargement à une tubulure cible ou de déconnexion par rapport à celle-ci. Généralement, un tel bras comporte une tuyauterie articulée, montée sur un support, reliée à une tuyauterie d’alimentation de fluide, et sur lequel est monté un premier tube, dit tube interne, via une portion de tube coudée à 90° permettant à l’une de ses extrémités une rotation selon un axe vertical, et à l’autre extrémité, selon un axe horizontal. A l’extrémité opposée du tube interne, est monté à rotation selon un axe horizontal, un second tube, dit tube externe. A l’extrémité du tube externe est monté un ensemble de couplage. L’ensemble de couplage possède ainsi au moins 3 degrés de liberté dans l’espace par rapport au support et les mouvements suivant chacun de ces degrés de liberté sont commandés par des actionneurs hydrauliques, électriques ou pneumatiques, tels que des vérins ou des moteurs.

La commande de déplacement est réalisée soit au moyen d’une interface de commande pilotée par un opérateur, soit de manière entièrement automatique.

De tels bras sont connus par exemple des demandes de brevet FR2813872, FR2854156, FR2931451, FR2964093 et FR3003855.

La présente invention vise à proposer un bras de transfert du même genre, mais aux performances améliorées s’agissant des processus de connexion et de déconnexion, en particulier dans le cadre d’un transfert de fluide en mer ouverte, qui s’est toujours avéré difficile en raison des mouvements relatifs des structures flottantes entre lesquelles le transfert doit avoir lieu.

Elle vise également à le faire en se passant du système de liaison et guidage physiques connus par exemple des demandes FR2813872 et FR2854156.

Cette invention a pour but également de réaliser un bras articulé de transfert avec une interface humaine limitée ou nulle, permettant ainsi de réaliser une connexion ou déconnexion de ce bras en automatique ou semi-assisté.

La présente invention propose, à cet effet un dispositif de commande pour le déplacement de l’une des extrémités d’un bras articulé de chargement de fluide d’une position de stockage vers une tubulure cible et de cette tubulure cible vers la position de stockage, ledit bras comportant une ligne de transfert de fluide équipée à cette extrémité d’un système de couplage, ce dernier étant adapté à être raccordé à la tubulure cible pour le transfert du fluide, lequel dispositif comporte des actionneurs pour commander le mouvement du bras dans l’espace depuis la position de stockage, jusqu’à présenter le système de couplage devant la tubulure cible en vue de son raccordement à celle-ci et depuis la tubulure cible vers la position de stockage, et ce dispositif étant caractérisé en ce qu’il comporte des moyens de calcul adaptés à : - suivre en temps réel le déplacement du système de couplage ; - générer, en temps réel, à partir de la position du système de couplage déterminée en dernier lieu, une trajectoire de déplacement du système de couplage en direction de la tubulure cible ou de la position de stockage, selon une loi de mouvement à jerk limité ; - calculer des instructions de commande à donner à chacun des actionneurs pour commander le déplacement du système de couplage suivant cette loi de mouvement.

Grâce à ces dispositions, il est possible d’effectuer un processus de connexion ou de déconnexion permettant de réduire au minimum voire ne provoquer ni vibrations ni oscillations dans le bras lors de son déplacement en direction de la tubulure cible, et conduisant en outre à d’autres avantages, comme on le verra plus en détail infra.

Suivant d’autres dispositions de la présente invention qui pourront être mises en œuvre de façon indépendante ou combinée, notamment en raison de leur commodité de fabrication et d’utilisation : - L’étape de suivi en temps réel du déplacement du système de couplage se traduit par un suivi en temps réel, au moins sur une partie du déplacement, de la position relative du système de couplage par rapport à la tubulure cible, la génération de la trajectoire étant effectuée à partir de la position relative déterminée en dernier lieu ; - L’étape de suivi en temps réel de la position relative du système de couplage par rapport à la tubulure cible se traduit en outre par un suivi en temps réel de l’orientation relative du système de couplage par rapport à la tubulure cible, la génération de la trajectoire étant effectuée à partir de la position et de l’orientation relatives déterminées en dernier lieu ; - Lorsque la tubulure cible est installée sur une structure flottante, et le bras de chargement installé sur une structure fixe ou flottante, les moyens de calculs sont reliés à des moyens de mesure pour le suivi en temps réel des mouvements, en absolu ou relatif, de la ou des structures flottantes, suivant les 6 degrés de liberté en simultané ; - Les moyens de mesure sont choisis dans le groupe comprenant les centrales inertielles, les GPS, les GPS adaptés à effectuer un suivi de position en relatif, les caméras, les inclinomètres, les accéléromètres, les potentiomètres, les sonars, les traqueurs laser, les tachéomètres ou une combinaison de ceux-ci ; - Les moyens de calcul comportent des fonctions de prédiction adaptées à prédire (i) l’évolution du déplacement du système de couplage et / ou (ii) le comportement du bras articulé de chargement par rapport à la commande de mouvement à jerk limité qui lui est appliquée ; et sont adaptés à ajuster la loi de mouvement à jerk limité afin qu’elle tienne compte de la prédiction ; - Les moyens de calcul utilisent, pour le suivi, un modèle cinématique du bras compensant des erreurs réelles de dimensions, de déformations et / ou de positions ; - Le modèle cinématique du bras est obtenu par une procédure d’étalonnage et un ajustement des paramètres d’un modèle du bras de chargement intégrant ces erreurs ; - L’ajustement est effectué au moyen d’algorithmes d’optimisation non linéaire ou par entraînement d’un réseau de neurones ou par toute autre méthode du même type, à partir des mesures obtenues par la procédure d’étalonnage ; - Les moyens de calcul sont adaptés à appliquer des instructions de commande à chacun des actionneurs de telle sorte que le déplacement provoqué par chacun des actionneurs soit simultané et ait la même durée ; - Les moyens de calcul sont adaptés à appliquer des instructions de commande pour assurer le mouvement à jerk limité dans les différents modes de commande, à savoir en automatique ou en manuel par l’opérateur au moyen d’une interface de commande, ou en mode semi-automatique conjuguant les commandes en automatique et en manuel ; - Le dispositif de commande comporte en outre des moyens d’amortissement actif des vibrations, adaptés à superposer une consigne vibratoire aux instructions de commande appliquées aux actionneurs ; - Les moyens de calcul sont en outre adaptés à générer la trajectoire de manière à éviter des collisions entre le bras et un élément ou une structure environnant.

La présente invention concerne aussi un dispositif d’acquisition de données et de calcul pour un dispositif de commande tel que défini supra caractérisé en ce qu’il est adapté à : - suivre en temps réel la position relative de l’organe de connexion /déconnexion par rapport à la tubulure cible ; - générer en temps réel, à partir de la position relative générée en dernier lieu, une trajectoire de déplacement de l’organe de connexion / déconnexion en direction de la tubulure cible selon une loi de mouvement à jerk limité ; - calculer des instructions de commande données à chacun des actionneurs pour commander le déplacement de l’organe de connexion / déconnexion en direction de la tubulure cible suivant cette loi de mouvement. L’invention concerne, par ailleurs, un procédé de transfert de fluide au moyen d’un bras tel que défini supra, comportant les étapes consistant à : - suivre en temps réel le déplacement du système de couplage ; - générer en temps réel, à partir de la position du système de couplage déterminée en dernier lieu, une trajectoire de déplacement du système de couplage en direction de la tubulure cible ou de la position de stockage, selon une loi de mouvement à jerk limité ; - calculer des instructions de commande à donner à chacun des actionneurs pour commander le déplacement du système de couplage suivant cette loi de mouvement.

Avantageusement, le procédé comporte également les étapes consistant à : - prédire (i) l’évolution du déplacement du système de couplage et / ou (ii) le comportement du bras articulé de chargement par rapport à la commande de mouvement qui lui est appliquée, et à ajuster la loi de mouvement à jerk limité afin qu’elle tienne compte de la prédiction. L’invention concerne enfin un bras articulé de chargement comportant un dispositif de commande tel que défini supra. L’exposé de la présente invention sera maintenant poursuivi par la description détaillée d’exemples de réalisation, donnés ci-après à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés.

Sur ceux-ci : - La figure 1 est une vue schématique en perspective d’un bras de chargement équipé d’un dispositif de commande selon l’invention, et - La figure 2 est un schéma de principe du fonctionnement du dispositif selon la figure 1.

La figure 1 représente de manière très schématique un bras de chargement 2 équipé d’un dispositif de commande 1 selon l’invention. Le bras articulé de chargement est ici représenté de manière très simplifiée, et on rappelle à cet égard que le dispositif de commande selon l’invention s’adapte à tout système de bras articulé de chargement, notamment aux bras de chargement marine des demandes de brevets mentionnées supra. D’une manière générale, ce type de bras de chargement est connu en soi, et ne sera pas décrit très en détails ici.

Le bras de chargement de la figure 1 est un bras de chargement marine qui présente une embase 21 reliée à une canalisation d’alimentation de fluide qui se trouve en dessous de la surface de la structure 22 sur laquelle l’embase est fixée. Dans le présent cas il s’agit d’une structure flottante, telle qu’un navire, mais suivant une variante, il peut s’agir d’un quai. Au sommet de l’embase est articulé à rotation un tube coudé 23, sur lequel s’articule à son tour un premier tube, dit tube interne, 24 sur lequel s’articule à son extrémité opposée un second tube, dit tube externe, 25. L’extrémité du tube externe porte un ensemble de couplage 26 permettant aussi le transfert de fluide et dont le système de couplage 26’, appelé aussi coupleur, est destiné à être raccordé à une tubulure cible 35, ici un manifold, disposée dans le présent exemple sur un navire 36 représenté très schématiquement. Dans le mode de réalisation représenté, de manière connue en soi, le coupleur 26’ présente également trois degrés de liberté en rotation par rapport à l’extrémité du tube externe 25. Ces trois degrés de rotation sont soit libres, de manière à ce qu’un opérateur puisse ajuster librement l’angle du coupleur lors de la phase finale d’approche pour le raccordement de l’un à la tubulure, soit une ou plusieurs de ces rotations sont commandées par des actionneurs et reliées à un automate , pour un positionnement tout ou partiellement automatique, et /ou à une interface de commande pour permettre à l’opérateur de commander directement les rotations lors de l’approche finale du coupleur. Ainsi que cela sera décrit plus en détail infra, deux des rotations (doubles flèches D et E) sont ici pilotées, tandis que la troisième (double flèche F) est libre.

De façon connue en soi, le coupleur 26’ présente dans le présent exemple de réalisation, des mâchoires 31 de verrouillage qui sont fermées par un actionneur 30 représenté très schématiquement, pour maintenir le coupleur 26’ autour de la tubulure cible 35, une fois celle-ci raccordée.

Des ensembles formés de raccords ou joints tournants et de coudes sont mis en oeuvre ici, notamment du genre comportant l’un, un raccord ou joint tournant dont les deux extrémités sont, chacune, soudées sur un coude, et l’autre, la réunion d’un premier raccord tournant, puis d’un coude, puis d’un deuxième raccord tournant faisant un angle de 90° avec ledit premier raccord, puis d’un coude. Un autre (tel que celui permettant les rotations selon les doubles flèches D, E, F sur la figure 1) correspond au second complété par un troisième raccord raccordé au deuxième par un coude. Les joints tournants de ces ensembles sont, ici, tous cryogéniques.

Les portions de tube coudées à 90“décrites supra et servant à relier les tubes interne 24 et externe 25 entre eux, le tube interne 24 à l’embase 21 et l’ensemble de couplage 26 au tube externe 25 font également partie d’ensembles de ce type. A la portion tubulaire articulée 24, 25, sont généralement associés des systèmes d’équilibrage à contrepoids (non représentés ici), associés ou non à des mécanismes du type pantographe d’équilibrage. A l’extrémité de la ligne de transfert équipée de l’ensemble de couplage, il peut être prévu un système de déconnexion d’urgence (ERS en anglais, pour Emergency Release System) et un système de connexion / déconnexion rapide (QCDC en anglais pour Quick Connect - Disconnect Coupler).

On va maintenant décrire plus en détail, en référence aux figures 1 et 2, l’actionnement d’un tel bras équipé du dispositif de commande selon la présente invention.

Dans l’invention telle que représentée schématiquement sur les figures 1 et 2, des actionneurs 27, 28, 29 sont prévus pour chacune des trois articulations du bras de chargement (symbolisées par les doubles flèches A, B, C) pour actionner directement ou par l’intermédiaire d’une transmission le tube interne, le tube externe et générer la rotation autour d’un axe vertical. Plus précisément, un premier actionneur 27 est prévu, ici, entre le sommet de l’embase 21 et le tube coudé 23, pour faire pivoter celui-ci horizontalement par rapport à l’embase, un deuxième actionneur 28 est, ici, prévu entre l’extrémité du tube coudé 23 et le tube interne 24 de manière à faire pivoter le tube interne verticalement, et un troisième actionneur 29 est, ici, prévu entre le tube interne 24 et le tube externe 25 pour faire pivoter ce dernier verticalement.

Les trois actionneurs 27, 28, 29 et ceux qui pilotent les joints tournants de l’ensemble 26 autour des doubles flèches D, E, F, sont ici des vérins hydrauliques représentés très schématiquement en figure 1. En variante non illustrée un ou plusieurs des vérins hydrauliques sont remplacés par d’autres types d’actionneurs hydrauliques, pneumatiques ou électriques : moteurs, vérins ou tout autre type d’actionneur.

La tubulure cible 35 prévue sur le navire 36, est ici pourvue d’un boitier 34 renfermant un moyen de mesure qui est, dans le présent exemple de réalisation, une centrale inertielle associée à un GPS.

Il en va de même pour l’embase 21 (pied du bras de chargement), qui présente, ici, un boîtier 33 renfermant une autre centrale inertielle associée à un GPS.

Les moyens de calcul du dispositif de commande sont réunis en un automate 41 disposé dans une armoire électrique 40 de commande.

Il s’agit plus précisément d’un automate programmable industriel (API ou PLC en anglais, pour Programmable Logic Controller). Il est adapté à traiter les signaux reçus de moyens de mesure, au moyen d’algorithmes préprogrammés. En variante, il peut s’agir d’une centrale d’acquisition de données et de calcul, du genre ordinateur industriel, et plus généralement d’un dispositif d’acquisition de données et de calcul.

Une unité de puissance hydraulique 42 est prévue pour fournir aux actionneurs l’énergie hydraulique nécessaire à leur fonctionnement. Elle est commandée par l’automate 41. Bien entendu, ceci n’est valable que dans le cas où les actionneurs considérés sont de type hydraulique.

Les ensembles formés de centrales inertielles et des GPS sont chacune pourvues respectivement d’un dispositif émetteur radio 33A et 34A pour émettre un signal comportant les informations de mesure.

En variante, la centrale 33 peut être directement câblée vers l’automate 41. L’automate 41 est relié à un dispositif récepteur 40A, qui est un récepteur radio, adapté à communiquer avec les dispositifs émetteurs radio 33A et 34A, respectivement reliés aux boîtiers 33 et 34 de chacun des navires.

Le dispositif de commande comporte, ici, en outre une interface de commande 60 pour un opérateur.

Les systèmes de mesure, ici, sous la forme d’une association de centrales inertielles et de GPS, fournissent ainsi l’orientation (lacet, tangage, roulis) et le déplacement (pilonnement, embardée et cavalement) de chacun des navires en temps réel. En d’autres termes, ces centrales inertielles et GPS permettent de suivre les mouvements des deux navires selon les 6 degrés de liberté en simultané.

Dans un mode de réalisation alternatif, les centrales inertielles et GPS peuvent être remplacées par exemple par un traqueur laser, une caméra, ou tout autre moyen de mesure permettant de déterminer la position relative du coupleur par rapport à la tubulure cible et, le cas échéant, l’orientation reiative de i’un par rapport à l’autre (dans le cas de structures flottantes comme ici) (voir également supra pour les moyens pouvant être utilisés).On notera également que des moyens de mesure tels que les centrales inertielles ou les GPS peuvent être équipés de moyens complémentaires pour passer d’un suivi de position en absoiu à un suivi en reiatif. li peut s’agir par exemple d’un GPS du type appelé en anglais « GPS moving base ».

Le bras de chargement est, de son côté, équipé de capteurs disposés sur la structure et / ou les actionneurs, en vue de pouvoir en déterminer la configuration à tout moment. Il s’agit, ici, de capteurs du type inciinométres 38 mais ii peut s’agir, en variante, de codeurs ou autres moyens de mesure équivalents.

Par des calculs de géométrie basés sur les informations provenant des capteurs installés sur le bras (codeurs, inciinométres ou autre capteur) et connaissant les dimensions réelles du bras de chargement suite à un étalonnage décrit ci-après, on peut relativement simplement calculer la position théorique du coupleur 26’, ici par rapport au pied du bras. Ainsi, en combinant la mesure de la configuration du bras ainsi que les mesures des orientations et déplacements des navires, la position relative du coupleur 26’ par rapport à la tubulure cible 35 est déterminée au moyen de i’automate (en coordonnées cartésiennes).

En effet, i’on dispose par les mesures précitées de la position relative de la tubulure cible 35 par rapport à l’embase, de la position relative du coupleur 26’ par rapport à cette même embase et, partant, de la position relative du coupieur 26’ par rapport à la tubulure cible 35. L’ensemble de couplage étant lui aussi équipé, ici, de moyens de mesure tels que des codeurs et inciinométres, on dispose, par ailleurs, ici aussi de l’orientation reiative du coupieur 26’ par rapport à ia tubulure cible (dont l’orientation est déterminée au moyen de ia centraie inertielle du boîtier 34).

Plus précisément, on mesure ici les positions angulaires des joints tournants permettant les rotations autour des doubles flèches D et E.

Comme détaillé ci-dessous, dans le cas de l’utilisation d’une caméra au niveau du coupleur et d’une cible au niveau de la tubulure comme seul moyen de mesure, la mesure de position relative est faite en direct, contrairement à ce qui est fait dans le cas de l’association du présent mode de réalisation de centrales inertielles et de GPS.

Les associations de moyens de mesure (centrales et GPS par exemple) sont utilisées pour gagner en précision et, partant, en sécurité, grâce à des algorithmes de fusion de données, du type filtre de Kalman ou réseau de neurones. Cela permet aussi de gagner en fiabilité.

Conformément à la présente invention, les programmes de commande de l’automate 41 servent à piloter le bras de chargement suivant des trajectoires spéciales, notamment caractérisées par leur « douceur ». Il s’agit ici de trajectoire à jerk (dérivée de l’accélération) limité qui ont la propriété d’avoir un faible contenu fréquentiel par rapport aux trajectoires classiques, et ainsi d’induire moins d’oscillations dans le bras de chargement et, en particulier dans les joints tournants de l’ensemble de couplage.

De plus, ces trajectoires peuvent être calculées de manière à tenir compte des fréquences vibratoires du bras de chargement, afin d’éviter de les exciter.

Par ailleurs, ces trajectoires selon l’invention se caractérisent par leur génération dynamique. Elles doivent en effet pouvoir être générées en temps réel pour s’adapter à l’environnement (mouvements de la tubulure cible notamment). En d’autres termes, l’automate générateur de trajectoires est adapté à prendre en compte la vitesse et l’accélération actuelle du bras de chargement afin de créer une trajectoire qui ne créera pas de discontinuité d’accélération qui pourrait engendrer des vibrations.

Avantageusement également, il est souhaitable que les trajectoires des joints tournants (c’est-à-dire lorsque la trajectoire du coupleur est décomposée pour être injectée dans les différents actionneurs du bras) aient la même durée, pour « lisser >> les mouvements du coupleur. Les programmes de commande de l’automate peuvent également être paramétrés de sorte à intégrer une telle fonction de synchronisation. L’automate devra donc être choisi de façon à être suffisamment rapide pour fonctionner en temps réel. S’agissant de la position du coupleur, déterminée comme indiquée ci-dessus, il faut cependant noter que : - les dimensions réelles diffèrent généralement des dimensions nominales. Il y a donc une erreur sur l’estimation de la position du coupleur ; - les éléments du bras de chargement se déforment, et les déflexions engendrées par les phénomènes de flexion et de torsion induisent une erreur supplémentaire ; - la dilatation thermique entre également en jeu ; et - les axes de rotation a priori colinéaires ne le sont pas exactement.

Ces erreurs s’accumulent et peuvent totaliser plusieurs dizaines de centimètres en pratique.

Il est donc prévu, dans le cadre du présent mode de réalisation, un étalonnage (calibration en anglais) qui est une procédure expérimentale qui consiste à trouver une formule mathématique qui permet de compenser ces erreurs pour un positionnement plus précis.

Cette procédure d’étalonnage consiste, en pratique, à mesurer directement la position du coupleur (par exemple au moyen d’un traqueur laser, d’une caméra ou tout autre moyen de mesure adapté) pour un grand nombre de configurations du bras. A partir de ces mesures, et à l’aide d’algorithmes d’optimisation non linéaire (par exemple du type Levenberg-Maquardt), les paramètres d’un modèle du bras intégrant les erreurs, sont ajustés. Une autre solution consiste à entraîner un réseau de neurones à partir de ces mesures.

En pratique, l’automate 41 intègre un programme de compensation des erreurs déterminées lors de l’étalonnage.

Les programmes de commande de l’automate, qui sont décrits plus en détail ci-après, peuvent ainsi comprendre un modèle cinématique du bras de chargement, en vue d’améliorer la précision de mouvement de ce bras de chargement par un programme de compensation des erreurs issues de l’étalonnage après la planification des mouvements décrite ci-dessus. En variante, dans un modèle simplifié, ces programmes de commande peuvent ne tenir compte que de paramètres théoriques du bras de chargement.

Dans le cas du présent mode de réalisation de l’invention, des moyens sont également prévus pour effectuer une prédiction de l’évolution de la position relative du coupleur par rapport à la tubulure cible, afin de pouvoir compenser les retards liés à la chaîne d’informations et à la dynamique du bras. Une telle prédiction peut s’avérer d’autant plus importante que le bras a une dynamique lente par rapport aux mouvements de la tubulure cible. De tels moyens peuvent mettre en œuvre des modèles statistiques autorégressifs, une analyse par décomposition de Fourier ou, de préférence pour leurs performances, des réseaux de neurones et servent à ajuster la loi de mouvement que suit le coupleur.

En pratique, en utilisant dans un algorithme de planification de trajectoire l’orientation et le déplacement (à partir de la mesure des mouvements faite pour la planification des mouvements du bras) prédites du navire portant le bras, il est aussi possible de tirer bénéfice de possibles effets inertiels, afin de réduire la consommation d’énergie du bras et les contraintes dans les joints tournants.

Ces moyens de prédiction sont ici en outre adaptés à prédire le comportement dynamique du bras articulé de chargement par rapport à la commande de mouvement qui lui est appliquée (pilotage) pour ajuster la loi de mouvement du coupleur en conséquence.

En pratique, ceux-ci se basent notamment sur des mesures effectives de déplacement du bras, telles que décrites supra, ainsi que des caractéristiques dimensionnelles de celui-ci.

Le présent mode de réalisation de l’invention met également en oeuvre un programme d’amortissement actif des vibrations au moyen de l’automate. Un tel programme est utilisé afin d’amortir, voire supprimer toute vibration induite par des perturbations externes (vent...).

On utilise ici avantageusement les actionneurs du bras pour éliminer ces vibrations. En pratique, l’automate est paramétré afin de superposer une consigne vibratoire aux instructions de commande normale des actionneurs. Cette consigne vibratoire est adaptée à créer des vibrations égales et opposées aux vibrations déjà présentes dans le bras et mesurées, afin d’annuler ces dernières.

Dans le cas du présent mode de réalisation, les oscillations des joints tournants et coudes de l’ensemble de couplage 26 sont, en particulier, mesurées par capteur afin d’utiliser l’information résultante pour l’amortissement actif de leurs oscillations. Le capteur peut être un codeur, un inclinomètre ou tout autre moyen de mesure équivalent.

Lorsque les joints tournants de l’ensemble ne sont pas pilotés par un ou des actionneurs, on peut agir sur ses oscillations en faisant bouger le tube 25.

Dans un mode de réalisation alternatif, si les actionneurs déjà présents sur le bras ne sont pas suffisants, des actionneurs supplémentaires pourront être utilisés, tels que par exemple des éléments piézoélectriques. Ceux-ci peuvent par exemple être disposés sur les tubes 24 et 25 ou dans les articulations.

En pratique, le signal de vibration est mesuré. Pour l’amortir ou l’annuler, on génère une vibration en opposition de phase (déphasée de 180°) pour que la somme soit nulle. Ce déphasage correspond à un terme « d’amortissement » dérivateur. Selon la partie du bras qui vibre/oscille, un ou plusieurs actionneurs sont utilisés pour générer la bonne vibration.

Avantageusement, un programme d’évitement de collision peut également être intégré dans l’automate afin d’éviter les collisions entre plusieurs bras de chargement, lorsque tel est le cas, ou avec des éléments situés dans la zone de travail du bras de chargement.

On notera encore que les actionneurs 27, 28, 29 sont reliés à un contrôleur 39, lui-même relié à l’automate 41. Il s’agit plus précisément, ici, d’un correcteur PID (proportionnel, intégrateur, dérivateur) générant les consignes de débit.

Les valves permettant de commander les actionneurs n’ont pas été représentées sur la figure, dans un souci de clarté.

Dans un mode de réalisation alternatif, un retour d’information des actionneurs vers le régulateur peut également être prévu afin d’identifier si ceux-ci ont bien atteint leur position de consigne.

On notera encore que l’unité de puissance hydraulique 42 fournit aux actionneurs l’énergie hydraulique nécessaire à leur fonctionnement. Elle est également commandée par l’automate via des relais de puissance, pour commander la mise en route et l’arrêt du groupe hydraulique. Le groupe hydraulique comprend une pompe (non représentée) destinée à pomper un fluide hydraulique pour alimenter les actionneurs.

Ceci n’est bien entendu valable que dans le cas d’actionneurs hydrauliques. L’interface de commande 60 est reliée à l’automate pour permettre à un opérateur de commander le raccordement du coupleur à la tubulure cible. En pratique il peut s’agir d’un simple bouton 61, tel que c’est le cas dans le présent mode de réalisation, en vue d’une procédure de raccordement automatique.

En variante, le bouton sur l’interface de commande 60 peut être remplacé par un joystick permettant un raccordement manuel, la trajectoire optimale étant calculée à partir des instructions données par l’opérateur.

Un raccordement semi-automatique peut également être envisagé. La trajectoire pour le mode semi-automatique est définie par l’automate, l’opérateur donnant simplement les instructions d’avance ou de recul le long de cette trajectoire (recalculée en temps réel).

En pratique, l’automate 41 suit donc en temps réel la position relative du coupleur par rapport à la tubulure cible, et ici aussi leur orientation relative, puis génère, en temps réel, à partir de la position et de l’orientation relatives déterminées en dernier lieu, une trajectoire de déplacement du coupleur en direction de la tubulure cible selon la loi de mouvement à jerk limité. Il calcule ensuite les instructions de commande à donner à chacun des actionneurs pour commander le déplacement du coupleur en direction de la tubulure cible depuis la position de stockage du bras et suivant cette loi de mouvement et les dispositions particulières précitées.

Il calcule donc en temps réel les distances restantes entre le coupleur et la tubulure cible suivant les axes X, Y et Z, schématiquement représentés en figure 1.

Si ces trois distances ne sont pas nulles, ou égales à des distances paramétrées comme distances de référence connue pour le raccordement (par exemple lorsque l’approche finale n’est pas réalisée par l’automate lui-même), l’automate calcule les instructions de commande pour chacun des actionneurs du bras de manière à ce que leurs mouvements conjugués résultent en un mouvement du coupleur visant à rapprocher le coupleur de la tubulure cible selon les trois axes. L’automate applique ensuite les instructions de commande calculées pour chaque actionneur aux actionneurs. Il calcule également en temps réel les distances restantes entre ce coupleur et la tubulure cible suivant les axes X, Y et Z. Si ces distances ne sont toujours pas nulles ou égales aux distances paramétrées, l’automate recommence les calculs des instructions pour les actionneurs et les applique jusqu’à ce que ces distances soient nulles ou égales aux distances paramétrées.

Si les trois distances sont nulles ou égales aux distances paramétrées, cela signifie que le coupleur se trouve en face de la tubulure cible en position de raccordement. L’automate peut également envoyer, notamment dans le cadre d’une procédure de connexion automatique complète, une instruction de commande à l’actionneur 30 du coupleur pour serrer le coupleur sur la tubulure cible, puis une instruction pour débrayer les actionneurs du bras, de manière à rendre libres les mouvements du bras une fois le coupleur raccordé et serré sur la tubulure cible.

En sens inverse, lors du processus de déconnexion (retour du coupleur vers sa position de stockage), la loi de mouvement à jerk limité est également appliquée pour éviter que des vibrations ne soient générées dans l’ensemble de couplage, lesquelles pourraient notamment faire cogner celui-ci contre le navire portant la tubulure cible 35 au début du retour. En outre, la trajectoire est définie afin d’éviter tout risque de collision avec la tubulure cible 35 ou tout autre élément du navire.

La position relative du coupleur 26’ par rapport à la tubulure cible 35 est donc suivie au début du processus de retour vers la position de stockage.

De nombreuses autres variantes sont possibles en fonction des circonstances et l’on rappelle à cet égard que la présente invention ne se limite pas aux exemples représentés décrits.

Par exemple dans le cas d’un traqueur laser, un dispositif laser comporte un émetteur laser et une cible, le dispositif étant adapté à déterminer grâce à un rayon laser la position relative du coupleur par rapport à la tubulure cible. Dans un autre mode de réalisation, on pourra utiliser à cet effet une caméra et une cible, telle qu’une mire réfléchissante.

Par ailleurs, il est envisageable de n’utiliser, pour la détermination de la position relative du coupleur par rapport à la tubulure cible, que deux centrales inertielles, ou des moyens équivalents, sans détermination de la configuration du bras, en vue de suivre en temps réel cette position relative puis générer, en temps réel, une trajectoire de déplacement selon une loi de mouvement à jerk limité.

En outre, le bras de chargement peut comporter une ou plusieurs lignes de transfert à deux ou plus de deux tronçons reliés les uns aux autres par les articulations étanches définies supra. L’automate peut également être remplacé, plus généralement, par un calculateur.

On rappellera par ailleurs, que le dispositif de commande selon l’invention s’adapte sur tous les bras articulés de chargement, et que l’adaptation du dispositif de commande selon l’invention sur tout autre type de système de chargement est à la portée de l’homme de métier.

Claims (17)

1. REVENDICATIONS

   1. Dispositif de commande pour le déplacement de l’une des extrémités d’un bras articulé de chargement de fluide d’une position de stockage vers une tubulure cible (35) et de cette tubulure cible (35) vers la position de stockage, ledit bras comportant une ligne de transfert de fluide équipée à cette extrémité d’un système de couplage (26), ce dernier étant adapté à être raccordé à la tubulure cible (35) pour le transfert du fluide, lequel dispositif comporte des actionneurs (27-29) pour commander le mouvement du bras dans l’espace depuis la position de stockage, jusqu’à présenter le système de couplage (26) devant la tubulure cible (35) en vue de son raccordement à celle-ci et depuis la tubulure cible (35) vers la position de stockage, et ce dispositif étant caractérisé en ce qu’il comporte des moyens de calcul (41) adaptés à : - suivre en temps réel le déplacement du système de couplage (26) ; - générer, en temps réel, à partir de la position du système de couplage (26) déterminée en dernier lieu, une trajectoire de déplacement du système de couplage (26) en direction de la tubulure cible (35) ou de la position de stockage, selon une loi de mouvement à jerk limité ; - calculer des instructions de commande à donner à chacun des actionneurs (27-29) pour commander le déplacement du système de couplage (26) suivant cette loi de mouvement.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’étape de suivi en temps réel du déplacement du système de couplage (26) se traduit par un suivi en temps réel, au moins sur une partie du déplacement, de la position relative du système de couplage (26) par rapport à la tubulure cible (35), la génération de la trajectoire étant effectuée à partir de la position relative déterminée en dernier lieu.
3. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l’étape de suivi en temps réel de la position relative du système de couplage (26) par rapport à la tubulure cible (35) se traduit en outre par un suivi en temps réel de l’orientation relative du système de couplage (26) par rapport à la tubulure cible (35), la génération de la trajectoire étant effectuée à partir de la position et de l’orientation relatives déterminées en dernier lieu.
4. 4. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lorsque la tubulure cible (35) est installée sur une structure flottante, et le bras de chargement installé sur une structure fixe ou flottante, les moyens de calculs sont reliés à des moyens de mesure pour le suivi en temps réel des mouvements en absolu ou relatif, de la ou des structures flottantes, suivant les 6 degrés de liberté en simultané.
5. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de mesure sont choisis dans le groupe comprenant les centrales inertielles, les GPS, les GPS adaptés à effectuer un suivi de position en relatif, les caméras, les inclinomètres, les accéléromètres, les potentiomètres, les sonars, les traqueurs laser, les tachéomètres ou une combinaison de ceux-ci.
6. 6. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens de calcul comportent des fonctions de prédiction adaptées à prédire (i) l’évolution du déplacement du système de couplage (26) et / ou (ii) le comportement du bras articulé de chargement par rapport à la commande de mouvement à jerk limité qui lui est appliquée ; et sont adaptés à ajuster la loi de mouvement à jerk limité afin qu’elle tienne compte de la prédiction.
7. 7. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens de calcul utilisent, pour le suivi, un modèle cinématique du bras compensant des erreurs réelles de dimensions, de déformations et / ou de positions.
8. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le modèle cinématique du bras est obtenu par une procédure d’étalonnage et un ajustement des paramètres d’un modèle du bras de chargement intégrant ces erreurs.
9. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que l’ajustement est effectué au moyen d’algorithmes d’optimisation non linéaire ou par entraînement d’un réseau de neurones à partir des mesures obtenues par la procédure d’étalonnage.
10. 10. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les moyens de calcul sont adaptés à appliquer des instructions de commande à chacun des actionneurs (27-29) de telle sorte que le déplacement provoqué par chacun des actionneurs soit simultané et ait la même durée.
11. 11. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les moyens de calcul sont adaptés à appliquer des instructions de commande pour assurer le mouvement à jerk limité dans les différents modes de commande, à savoir en automatique ou en manuel par l’opérateur au moyen d’une interface de commande, ou en mode semi-automatique conjuguant les commandes en automatique et en manuel.
12. 12. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le dispositif de commande comporte en outre des moyens d’amortissement actif des vibrations, adaptés à superposer une consigne vibratoire aux instructions de commande appliquées aux actionneurs (27-29).
13. 13. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que les moyens de calcul sont en outre adaptés à générer la trajectoire de manière à éviter des collisions entre le bras et un élément ou une structure environnant.
14. 14. Dispositif d’acquisition de données et de calcul (41) pour un dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’il est adapté à : - suivre en temps réel le déplacement du système de couplage ; - générer en temps réel, à partir de la position du système de couplage déterminée en dernier lieu, une trajectoire de déplacement du système de couplage en direction de la tubulure cible ou de la position de stockage, selon une loi de mouvement à jerk limité ; - calculer des instructions de commande à donner à chacun des actionneurs pour commander le déplacement du système de couplage suivant cette loi de mouvement.
15. 15. Procédé de calcul pour un dispositif d’acquisition de données et de calcul, selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comporte les étapes de calcul consistant à : - suivre en temps réel le déplacement du système de couplage ; - générer en temps réel, à partir de la position du système de couplage déterminée en dernier lieu, une trajectoire de déplacement du système de couplage en direction de la tubulure cible ou de la position de stockage, selon une loi de mouvement à jerk limité ; - calculer des instructions de commandes à donner à chacun des actionneurs pour commander le déplacement du système de couplage suivant cette loi de mouvement.
16. 16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce qu’il comporte en outre les étapes consistant à prédire (i) l’évolution du déplacement du système de couplage et / ou (ii) le comportement du bras articulé de chargement par rapport à la commande de mouvement qui lui est appliquée, et à ajuster la loi de mouvement à jerk limité afin qu’elle tienne compte de la prédiction.
17. 17. Bras articulé de chargement comportant une ligne de transfert de fluide équipée à l’une de ses extrémités d’un système de couplage adapté à être raccordé à une tubulure cible, et un dispositif de commande selon une quelconque des revendications 1 à 13.