Thèse : Développement d'un drone de surface autonome à propulsion solaire et vélique avec foils pour l'observation océanique de longue durée (H/F)

Description du Poste

Sujet De Thèse

La mesure de paramètres environnementaux en milieu marin ou lagunaire représente un enjeu majeur pour les sciences marines, la gestion des zones côtières et les activités de l’économie maritime. L’acquisition de données in situ demeure essentielle pour améliorer la compréhension des dynamiques océaniques, affiner les modèles environnementaux et anticiper les effets du changement climatique sur les écosystèmes marins et littoraux. Malgré les progrès réalisés ces dernières années, la capacité à assurer une surveillance continue, fiable et en temps réel reste limitée, notamment en raison des contraintes énergétiques et opérationnelles associées aux plateformes existantes. Dans ce contexte, le développement de systèmes autonomes capables de mener des missions de longue durée constitue un défi scientifique et technologique de premier plan.
Le projet SoSud s’inscrit dans cette dynamique en proposant le développement d’un drone de surface autonome à faible consommation énergétique, destiné à la collecte de données environnementales sur de longues périodes. Il s’intègre pleinement dans l’Axe 2 du GDR OMER, consacré aux systèmes d’observation et aux plateformes instrumentées innovantes. L’objectif est de concevoir une plateforme combinant propulsion par moteurs électrique, vélique robotisée, foils auto-régulés et production d’énergie embarquée à partir de sources renouvelables. Cette approche vise à dépasser les limitations actuelles en autonomie énergétique tout en améliorant les performances dynamiques de l’engin. La plateforme repose sur l’inspiration des engins de glisse de type wing foil, dont les performances laissent envisager un potentiel prometteur pour les drones de surface, et s’appuie sur l’expérience acquise, notamment dans le projet Kiwin porté par Beyond the Sea, dans les solutions de traction par kite pour les grands navires [1...3,7,8,11].
Le concept repose sur l’association de plusieurs sous-systèmes couplés : une aile rigide orientable assurant la propulsion vélique et servant de support à des panneaux photovoltaïques, une plateforme équipée de foils en T permettant de réduire la traînée hydrodynamique, des moteurs électriques réversibles pouvant fonctionner en propulseur ou en hydrogénérateurs pour la récupération d’énergie, ainsi qu’un système de contrôle et de décision embarqué. Une configuration dans laquelle l’aile rigide peut se replier sur le pont de l’engin sera également étudiée afin d’améliorer la compacité et la robustesse de la plateforme lors de conditions météorologiques défavorables. Par ailleurs, les moteurs électriques pourront être utilisés comme dispositifs d’assistance transitoire, facilitant l’atteinte des vitesses critiques nécessaires à la sustentation sur foils et à l’établissement d’une propulsion vélique efficace, en créant un vent apparent suffisant.
Si chacun de ces éléments a déjà fait l’objet d’études ou de validations partielles, leur intégration dans une architecture cohérente soulève plusieurs verrous scientifiques majeurs. Le premier concerne le couplage dynamique entre les phénomènes aérodynamiques liés à l’aile, les interactions hydrodynamiques d’une plateforme sur foils et les lois de commande associées. La dynamique fortement non linéaire du système, soumise à des perturbations environnementales variables, rend nécessaire le développement de stratégies de contrôle robustes et adaptatives. Un second verrou réside dans la gestion énergétique multi-sources, impliquant la modélisation et l’optimisation en temps réel des flux d’énergie entre production, stockage et consommation. Enfin, la conception d’un jumeau numérique intégrant mécanique, énergétique et commande constitue un enjeu central pour la simulation, la validation, l’optimisation globale du système et les aspects de choix de trajectoire au regard de la mission et des capacités énergétiques, actuelles et futur.
La thèse vise à répondre à ces défis en développant un cadre méthodologique permettant d’analyser, modéliser et optimiser le comportement du drone autonome. Les travaux porteront notamment sur la modélisation couplée aérodynamique-hydrodynamique, l’élaboration de lois de commande pour le pilotage de l’aile et la régulation en altitude des foils, ainsi que sur l’optimisation conjointe des stratégies de propulsion, de récupération et de gestion de l’énergie. Le développement du jumeau numérique constituera un outil structurant pour l’évaluation des performances et l’aide à la conception. Au niveau de l’Occitanie, des collaborations avec l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT) sont envisagées pour faire des mesures en soufflerie afin de caler les simulations numériques afin d’affiner les VPP (Velocity Prediction Program) nécessaires aux schémas d’optimisation de parcours développés.
Le projet s’appuie sur des bases expérimentales solides. Deux prototypes issus de travaux antérieurs sont disponibles : un quadri-foiler à échelle réduite propulsé électriquement, accompagnée d’un outil de simulation et d’une aile robotisée à échelle 1 Ces dispositifs constituent un socle technique et scientifique permettant d’envisager l’intégration progressive des différents sous-systèmes. Les travaux bénéficieront de l’expertise complémentaire de trois laboratoires de l’Université de Montpellier : le LMGC pour la modélisation et l’optimisation mécanique, le LIRMM pour l’automatique, la robotique et l’IA embarquée, et l’IES pour la gestion de l’énergie et l’instrumentation. Des interactions avec le laboratoire MARBEC permettront de définir les missions et les capteurs les plus pertinents pour la plateforme.
La complexité des phénomènes mis en jeu et la nécessité d’une approche intégrée dépassent le cadre d’un simple développement technologique. La thèse constitue ainsi un élément central du projet SoSud, en permettant de lever les verrous scientifiques identifiés, de structurer les approches de modélisation et d’optimisation, et de valider expérimentalement les solutions proposées, tout en dynamisant les interactions interdisciplinaires entre les laboratoires impliqués. Les résultats attendus concernent à la fois l’avancée des connaissances en dynamique et contrôle des plateformes marines innovantes, et le développement d’une solution opérationnelle pour l’observation environnementale de longue durée.
Le programme de thèse comprendra d’abord le perfectionnement de l’asservissement de l’aile robotisée et la détermination des polaires de vitesse pour alimenter le jumeau numérique, puis des essais de propulsion sur un engin archimédien équipé de l’aile, avant de coupler propulsion vélique et quadri-foiler pour obtenir une plateforme entièrement autonome. La gestion énergétique, les stratégies décisionnelles et l’optimisation de trajectoire seront développées tout au long du projet. L’existence des briques préalables démontre la faisabilité et la capacité des trois laboratoires à collaborer, avec un financement et des stages déjà intégrés au projet. Cette thèse contribuera à créer une plateforme autonome à faible consommation énergétique, génératrice de données océanographiques fiables et exploitables sur de longues durées, renforçant les synergies interdisciplinaires autour de l’ingénierie maritime et de l’observation des systèmes marins, conformément aux objectifs et thématiques du GDR OMER.

Votre Environnement de Travail

Le projet Sosud s’inscrit dans la recherche d’innovations pour la navigation durable et autonome. Il vise à développer un drone de surface hybride, combinant propulsion vélique robotisée, motorisation électrique et foils auto-régulés pour réduire la consommation énergétique. Le projet s’appuie sur les savoir-faire du LMGC, LIRMM et IES, intégrant simulation, robotique et gestion énergétique. Les travaux de thèse permettront de finaliser la commande de l’aile et la motorisation, et de réaliser des tests expérimentaux. L’objectif est de démontrer la performance et l’efficacité de la plateforme, avec un fort potentiel de valorisation scientifique et technologique

Rémunération et avantages

Rémunération

La rémunération est d'un minimum de 2300,00 € mensuel

Congés et RTT annuels

44 jours

Pratique et Indemnisation du TT

Pratique et indemnisation du TT

Transport

Prise en charge à 75% du coût et forfait mobilité durable jusqu’à 300€

À propos de l’offre

À propos du CNRS

Le CNRS est un acteur majeur de la recherche fondamentale à une échelle mondiale. Le CNRS est le seul organisme français actif dans tous les domaines scientifiques. Sa position unique de multi-spécialiste lui permet d’associer les différentes disciplines pour affronter les défis les plus importants du monde contemporain, en lien avec les acteurs du changement.

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