Optimisation et implémentation de lois de commande embarquées pour la téléopération de micro drones aériens X4-flyer

Optization and implementation of embedded intuitive control laws allowed the teleoperation of an X4-flyer UAV

• Auteur / Autrice : Nicolas Guenard
• Direction : Tarek Hamel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, traitement du signal et des images
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Nice
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Nice ; 1992-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes embarqués (informatique)

Systèmes adaptatifs (technologie)

Servomécanismes

Drones

Résumé

Suite à l'engouement général pour les drones de petite taille durant ces dernières années, ainsi qu'à l'amélioration récente des nouvelles technologies, le CEA a proposé en 2003 la mise au point d'un drone miniature facilement téléopérable et capable d'effectuer des missions de reconnaissance et d'inspection en intérieur. Le vecteur d'intervention choisi pour ce type de mission est un quadrirotor connu sous le nom de ''X4-flyer'', particulièrement bien adapté au vol quasi-stationnaire. Toutefois, connu des modélistes et déjà présent dans le commerce sous la forme d'un jouet, ce drone se révèle être extrêmement dur à piloter pour un individu n'ayant aucune expérience du modélisme. Dans cette thèse, nous proposons différents algorithmes, dont la majorité est embarquable, permettant le contrôle simple et intuitif de l'appareil à partir de consignes en vitesse de translation provenant de l'utilisateur. D'autres algorithmes basés sur la vision 3D et 2D déportés sur une station sol, sont présentés et permettent l'asservissement du drone en position au-dessus d'une cible située au sol. Pour ce faire, dans un premier temps nous nous intéressons à la compréhension des différents phénomènes aérodynamiques agissant sur le ''X4-flyer'' ainsi qu'à l'obtention d'un modèle dynamique du quadrirotor. Par la suite, un retour d'état ainsi qu'une loi de commande adaptative non linéaire, facilement implementable dans le calculateur embarqué et basée sur le précédent modèle, sont présentés. Ce contrôleur réalise le compromis de prendre en compte les non linéarités du modèle ainsi que la simplicité et la facilité d' implémentation qu'aurait un contrôleur de type PID. Enfin, des asservissements 3D du drone puis 2D prenant en compte la dynamique complète du ''X4-flyer'' sont mis en place. L'ensemble des parties théoriques abordées sont testées via des simulations, puis validées sur le prototype du CEA.

Now days, the interest for the small size Unmanned Aerial Vehicle (UAV) area is very important. In order to lead inspection and recognition missions, the French Atomic Energy Commission (CEA) is interested in the use of a rotary wings aerial vehicle suited for quasi-stationary flight conditions. Consequently, a prototype ideally suited for this type of mission and for stationary fight conditions, known as an ''X4-flyer'' has been built. This kind of small aerial robot is known from the modelist and can be bought as a toy. However, it is very difficult to control it without a lot of hours of traning. Consequently, this document presents several embedded algorithms allowing the simple control of the vehicule from simple user translational speed orders. Then, image-based visual servo controls, computed on a ground station, are equally presented and allow the stabilization of the UAV above a target situated on the ground. In order to do this, in a first time, we are interested in the understanding of the different aerodynamical effects applying on the ''X4-flyer'' and to the elaboration of a mathematical model of the vehicule. Then, a state feedback and a non linear adaptative control, easy to on board and based on the precedent model, are designed. This control law take into account the model non linearity. At least, 3D visual servoing and 2D visual servoing derived for the full dynamics of the system is designed. Each theoretical part of the document has been tested and validated on the experimental UAV.