Algorithmes de contrôle sans modèle pour les micro drones de type tail-sitter

Model-free control algorithms for tail-sitter micro air vehicles

• Auteur / Autrice : Jacson Miguel Olszanecki Barth
• Direction : Jean-Marc Moschetta, Jean-Philippe Condomines
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique et Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 28/05/2020
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Aéronautique-Astronautique (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Énergétique et dynamique des fluides (Toulouse, Haute-Garonne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse, Haute-Garonne). Département aérodynamique, énergétique et propulsion - École Nationale de l'Aviation Civile (Toulouse ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Caroline Bérard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Marc Moschetta, Jean-Philippe Condomines, Caroline Bérard, Laurent Burlion, Hugues Mounier, Eric Feron, Pascal Morin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Burlion, Hugues Mounier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Commande robuste

Aérodynamique

Mots clés libres

Commande robuste

Mécanique du vol

Aérodynamique

Commande sans modèle

Micro drones convertibles

Tail-Sitter

Robust control

Aircraft flight mechanics

Aerodynamics

Model-Free Control

Hybrid MAVs

Tail-Sitter

Résumé

Les micro drones à capacités de vol de transition, ou simplement HMAVs (de l’anglais Hybrid MicroAir Vehicles), regroupent les principales caractéristiques aérodynamiques des configurationsà voilure fixe, en termes d’endurance, avec les capacités de décollage et d’atterrissage verticaldes voilures tournantes afin d’effectuer cinq phases de vol au cours de ses missions, telles quele décollage vertical, le vol de transition, le vol en croisière, le vol stationnaire et l’atterrissagevertical. Cette nouvelle classe de micro drones a un domaine de vol plus large que les microdrones conventionnels, ce qui implique de nouveaux défis pour les automaticiens et les concepteursaérodynamiques. L’un des principaux défis des HMAVs est la variation rapide des forces etdes moments aérodynamiques pendant la phase de vol de transition, qui est difficile à modéliseret à contrôle avec précision. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur le développement delois de pilotage pour une classe spécifique des HMAVs, à savoir les tail-sitters.Afin de stabiliser la dynamique des tail-sitters et de surmonter leur problème de modélisation,nous proposons une architecture de contrôle de vol qui estime en temps réel leurs dynamiquesgrâce à un contrôleur à rétroaction intelligent. Le contrôleur de vol proposé est conçu pourstabiliser l’attitude du tail-sitter ainsi que sa vitesse, et sa position pendant toutes ses phasesde vol. En utilisant des algorithmes de la commande sans modèle, l’architecture de contrôle devol proposée contourne le besoin d’un modèle dynamique précis dont l’obtention est coûteuseet longue. Une série complète de simulations de vol couvrant l’ensemble du domaine de vol destail-sitters est présentée et, pour chaque phase de vol, son analyse respective.Avant d’introduire des expériences de vol réel, nous évaluons les performances et les limites del’architecture de commande sans modèle en simulation. Les essais en vol permettent de clarifier etde valider notre méthodologie de contrôle dans un contexte pratique, résolvant ainsi le principalproblème des tail-sitters, à savoir la formulation d’équations dynamiques précises pour concevoirles lois de commande. En outre, à partir d’algorithmes mathématiques simples, la commandesans modèle est facilement implémentée sur microprocesseurs sans nécessiter de coûts de calculélevés, tels que la fréquence de traitement et les ressources de mémoire. Les résultats obtenusfournissent un moyen simple de valider les principes méthodologiques présentés dans cette thèse,de certifier les paramètres obtenus lors de la conception de la commande sans modèle et d’établirune conclusion concernant ses avantages et ses inconvénients dans des contextes théoriques etpratiques liés aux systèmes aérospatiaux.

Micro Air Vehicle (MAV)s with transitioning flight capabilities, or simply Hybrid Micro Air Vehicle(HMAV)s combine the beneficial features of fixed-wing configurations in terms of endurance,with vertical take-off and landing capabilities of rotorcraft to perform five different flight phasesduring typical missions : vertical takeoff, transitioning flight, forward flight, hovering, and verticallanding. This promising MAV class has a wider flight envelope than conventional MAVs,which implies new challenges for both control community and aerodynamic designers. One ofthe major challenges of HMAVs is the fast variation of aerodynamic forces and moments duringthe transition flight phase, which is difficult to model and control accurately. In this thesis, wefocus on the development of control laws for a specific class of HMAVs, namely tail-sitters.In order to stabilize the HMAV and overcome its modeling problem, we propose a flightcontrol architecture that estimates in realtime its fast nonlinear dynamics with an intelligentfeedback controller. The proposed flight controller is designed to stabilize the HMAV attitude,velocity and position during all flight phases. By using Model-Free Control (MFC) algorithms,the proposed flight control architecture bypasses the need for a precise HMAV model that iscostly and time consuming to obtain. A comprehensive set of flight simulations covering theentire flight envelope of the HMAV is presented, with the respective analysis for each of theflight phases. Furthermore, the control performance and the limitations of the MFC architecture are discussedin order to introduce further applications in real flight experiments. Flight tests clarifyand validate the proposed control methodology in a practical context, thus solving the principalissue of HMAVs; that is, the formulation of accurate HMAV dynamic equations to designcontrol laws. In addition, from simple mathematical algorithms, MFC is easily implemented ona microprocessor without the need for high computational costs, such as time processing andmemory resources. The results obtained provide a straightforward way in which to validatethe methodological principles presented in this thesis, to certify the designed MFC parametersand to establish a conclusion regarding MFC advantages and disadvantages in theoretical andpractical contexts related to aerospace systems.