Conception, modélisation et commande d'un drone convertible à quatre hélices pivotantes

Design, modeling and control of a convertible mini airplane having four tiliting rotors

• Auteur / Autrice : Gerardo Ramón Flores Colunga
• Direction : Rogelio Lozano-Leal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Technologies de l'Information et des Systèmes
• Date : Soutenance le 31/10/2014
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Heuristique et Diagnostic des Systèmes Complexes [Compiègne] / Heudiasyc

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Vision par ordinateur

Commande, Théorie de la

Liapounov, Stabilité de

Liapounov, Fonctions de

Stabilité

Vol

Rotors

Aéronefs

Drones

Mots clés libres

Aéronefs à voilure fixe

Systèmes de vision

Manoeuvre de transition

Aéronefs convertibles

Quadrirotors

Commande basée de Lyapunov

Modélisation

Fixed-wing aircraft

Quadrotor

Modeling

Stability

Vision systems

Convertible aircraft

Tilt-rotor

Lyapunov-based control

Transition maneuver

Nonlinear systems

Planar Vertical Helicopter-Airplane Transition (PVHAT)

Résumé

Cette thèse étudie certains problèmes plus importants dans le sens de guidage, navigation et contrôle présentés dans une catégorie particulière de mini véhicules aériens (MVA) : le MVA convertible avec des ailes fixes et disques pendulaires. Cet aéronef est capable de changer sa configuration de vol, du vol stationnaire au vol palier et vice versa, au moyen d’une manœuvre de transition. Motivé par des applications civiles, on étudie théoriquement et expérimentalement les principes de contrôle en fonction de Lyapunov pour les dynamiques présentées dans le MVA convertible. Des résultats de convergence asymptotique sont obtenus sur l’enveloppe de vol complet du véhicule : d’un vol vertical à basse vitesse à un vol vers l’avant à grande vitesse. Cette thèse est divisée en quatre parties principales : l’étude de 1) les aéronefs à voilure fixe ; 2) le quadrirotor (avion équipe de quatre moteurs) ; 3) l’aéronef convertible ; 4) les applications de vision en utilisant l’aéronef convertible. Dans la première partie, un principe de contrôle en fonction de Lyapunov est développé pour diriger un mini véhicule aérien à voilure fixe tout au long d’un chemin d’accès souhaité. En outre, un générateur de chemin d’accès est proposé. Le résultant de la stratégie du contrôle donne une convergence globale du chemin actuel du MVA au chemin d’accès souhaité. Dans la deuxième partie, un contrôle en fonction de Lyapunov à l’aide de la théorie de la perturbation du singulier est proposé et appliqué sur la dynamique du MVA. En effet, dans cette partie on a abordé le problème diagnostic et la détection de pannes fault detection and diagnosis (FDD) pour un quadrirotor. Dans la troisième partie une nouvelle stratégie de contrôle pour effectuer la transition d’un avion convertible entre le mode avion et le mode hélicoptère, et vice versa, est présenté. L’analyse est effectuée pour le modèle longitudinal du PVHAT (Planar Vertical Helicopter-Airplane Transition) aéronef, lequel est un avion ayant disques pendulaires afin de réaliser la manœuvre de transition. L’algorithme de contrôle de boucle fermée qui en résulte, est prouvé être globalement asymptotiquement stable. Finalement, dans la quatrième partie de cette thèse, le problème de l’estimation et suivi d’un chemin à l’aide de vision système embarqué dans l’avion PVHAT est résolu. La stabilité globale exponentielle de la position sous-système ainsi que le contrôleur de commutation est démontrée. Des simulations illustratives et résultats expérimentaux sont obtenus sur plusieurs plateformes expérimentales développées dans cette thèse, pour évaluer l’applicabilité des principes contrôle proposés et mettre en valeur les mérites de l’approche.

This thesis studies some of the most relevant problems in the sense of guidance,navigation and control presented in a particular class of mini aerial vehicles (MAV) : the convertible MAV with fixed wings and tilting rotors. This aircraft is able to change its flight configuration from hover to level flight and vice-versaby means of a transition maneuver. Motivated by civilian applications, we theoretically and experimentally study Lyapunov-based control laws for dynamics presented in the convertible MAV. Results of asymptotic convergence are obtained over the complete flight envelope of the vehicle : from low-speed vertical flight through high-speed forward flight. We have divided this thesis in four main parts : the study of 1) the fixed-wingaircraft; 2) the quadrotor; 3) the convertible aircraft and 4) vision applications by using the convertible aircraft. In a first part, a Lyapunov-based controllaw is developed to steer a fixed wing mini aerial vehicle along a desired path. Furthermore a path generator is proposed. The resulting control strategy yields global convergence of the current path of the MAV to the desired path. In a second part, a Lyapunov-based control using singular perturbation theory is proposed and applied on dynamics of the MAV. Furthermore, in this part we address the problem of fault detection and diagnosis (FDD) for a quad-rotor. In the third part a new control strategy for the transition between airplane and helicopter mode, and vice versa, in convertible planes is presented. The analysis is carried out for the longitudinal model of the PVHAT (Planar VerticalHelicopter-Airplane Transition) aircraft, which is an airplane having tilting rotors in order to achieve the transition maneuver. The resulting closed loop control algorithm is proved to be globally asymptotically stable. Finally in thefourth part of this thesis the problem of estimation and tracking of a road using avision embedded system in the PVHAT aircraft is solved. The global exponential stability of the position subsystem together with the switching controller is demonstrated. Illustrative simulations and experimental results obtained on several experimental platforms developed in this thesis, assess the implementability of the proposed control laws and highlight the merits of the approach.