Modeling and control of a VTOL (Vertical Take Off and Landing) aircraft

• Auteur / Autrice : Octavio Garcia Salazar
• Direction : Rogelio Lozano-Leal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Technologies de l'information et des systèmes
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Compiègne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Drones

Construction

Modèles mathématiques

Aéronefs à décollage vertical

Systèmes de commande (vol)

Mots clés libres

Drone

Newton-Euler

Dynamique longitudinale

Fonction de saturation

Loi de commande

Système embarqué

Résumé

Ce travail de thèse porte sur la conception, modélisation et commande des drones à décollage vertical. La commande de ces véhicules est mise en pratique pour réaliser des vols autonomes. Une description fonctionnelle de ces appareils est décrite et les modèles mathématiques sont obtenus en utilisant les équations de Newton-Euler. Ces équations dynamiques incluent l'effet gyroscopique, le couple des actionneurs, les termes aérodynamiques, la force de poussée et la force gravitationnelle. Le vol vertical est étudié dans le cas des configurations aérodynamiques T-Plane, V-co-aX et C-Plane. Les lois de commande basées sur des fonctions de saturation sont proposées pour la stabilisation de ces drones en vol stationnaire. Des résultats de simulation et des résultats expérimentaux sont obtenus pour plusieurs configurations dans le cas du vol stationnaire. On étudie la dynamique longitudinale (Modèle 2-D) du drone Twister, prenant en compte les effets aérodynamiques. Une loi de commande non linéaire est proposée pour stabiliser globalement le système. Pour le drone C-Plane, le modèle longitudinal est étudié pour réaliser la manoeuvre de transition entre le vol vertical et le vol de translation. Les termes aérodynamiques sont obtenus en considérant le modèle de l'hélice. Par ailleurs, les résultats obtenus en simulation et des expériences réelles montrent un bon comportement des lois de commande proposées. Finalement, un système embarqué est développé pour tester les lois de commande proposées. Ce système comprend des capteurs de faible coût. La centrale inertielle a été réalisée au laboratoire pour donner les vitesses et les positions angulaires du drone aussi bien dans le mode vertical que dans le mode horizontal. Cette centrale comporte un filtre complémentaire en temps continu qui réalise une fusion des accéléromètres et des gyromètres pour estimer la position angulaire.

This thesis is focussed on the design, modeling and control of the VTOL (Vertical Take off and Landing) UAVs. The control of these vehicles is implemented in order to perform autonomous flights. A functional description of these machines is described and the mathematical models are obtained by using the Newton-Euler formulation. These dynamic models include gyroscope effect, actuator torque, aerodynamic terms, thrust and gravitational forces. Vertical flight is studied for the tail-sitter UAVs (T-Plane, V-co-aX and CPlane). Control laws based on saturation functions are proposed for the stabilization of these UAVs in hover mode. Simulation and experimental results are obtained during the hover flight. Longitudinal dynamics (2-D model), including the aerodynamic terms, is analyzed for the Twister UAV, and a nonlinear control law is proposed for achieving the global stability of this vehicle. For the C-Plane vehicle, the longitudinal model is studied to perform the transition maneuver and the aerodynamic terms are obtained by considering the propeller analysis. Furthermore, results obtained from simulation and real time show an effective behavior of the proposed control laws. Finally, an embedded control system is developed to test the proposed control strategies. This system consists of low-cost sensors. A homemade inertial measurement unit was designed to perform the complete operational range of the vehicle (including vertical and horizontal modes). This IMU incorporates an analog complementary filter whose objective is to estimate the angular position.