Conception et commande de robots parallèles volants

Design and control of flying parallel robots

• Auteur / Autrice : Damien Six
• Direction : Sébastien Briot, Philippe Martinet, Abdelhamid Chriette
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, productique et robotique
• Date : Soutenance le 04/12/2018
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences du Numérique de Nantes
• Jury : Président / Présidente : Jean-Pierre Merlet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Briot, Philippe Martinet, Abdelhamid Chriette, Jean-Pierre Merlet, Nicolas Andreff, Pascal Morin, Aníbal Ollero, Isabelle Fantoni-Coichot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Andreff, Pascal Morin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Drones

Robots -- Systèmes de commande

Robots -- Dynamique

Mots clés libres

Véhicule aérien autonome

Robots parallèles

Modèle dynamique

Commande par retour d’état

Unmanned aerial vehicle

Parallel robots

Dynamic model

Feedback control

Résumé

La manipulation aérienne est l’un des défis de la robotique au cours de cette dernière décennie. L’un des freins au développement des manipulateurs aériens est l’autonomie limitée des drones, réduite par la charge et la consommation électrique du manipulateur embarqué. Une solution pour dépasser cette limite passe par la collaboration de plusieurs drones dans une tâche de manipulation. Cette thèse porte sur la conception et la commande d’un nouveau type de véhicule autonome aérien destiné à la manipulation. Le concept consiste à faire collaborer plusieurs drones, en particulier des quadricoptères, au travers d’une architecture passive polyarticulée. Le robot ainsi obtenu est une fusion entre l’architecture passive d’un robot parallèle et plusieurs drones. L’étude du modèle dynamique de cette classe de robots met en avant un découplage dans le modèle dynamique. Ce découplage permet la conception d’une commande en cascade qui assure la stabilisation et le suivi de trajectoire pour ces robots. Deux cas d’étude sont ensuite déclinés dans cette thèse : un robot parallèle volant à deux drones et un robot parallèle volant à trois drones. Pour ces deux robots, une simulation numérique est effectuée afin de valider le fonctionnement de la commande. Ces simulations ont également permis de valider la possibilité de changer la configuration de l’architecture passive en vol. Les travaux ont été portés avec succès jusqu’au stade expérimental pour le robot volant à deux drones.

Aerial manipulation is one of the challenges of robotics over the last decade. One of the constraints on the development of aerial manipulators is the limited autonomy of drones, reduced by the load and energy consumption of the on-board manipulator. One way to overcome this limit is to have several drones collaborate on a manipulation task. This thesis deals with the design and control of a new type of autonomous aerial vehicle for manipulation tasks. The concept consists in the collaboration of several drones, in particular quadrotors, through a polyarticulated passive architecture. The robot thus obtained is a fusion between the passive architecture of a parallel robot and several drones. The study of the dynamic model of this robot class highlights a decoupling in the dynamic model. This decoupling allows the design of a cascade control law. This controller provides stabilization and trajectory tracking for these robots. Two study cases are then presented in this thesis: a flying parallel robot with two drones and a flying parallel robot with three drones. For these two robots, a numerical simulation is performed to validate the controller performances. These simulations also allowed to validate the reconfiguration abilities of passive architecture in flight. The work was successfully carried to the experimental stage for the flying robot with two drones.