Estimation en vol de l'attitude de projectiles à l'aide d'accéléromètres et de magnétomètres

Attitude estimation of an artillery shell in free-flight from accelerometers and magnetometers

• Auteur / Autrice : Aurélien Fiot
• Direction : Nicolas Petit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématique et automatique
• Date : Soutenance le 30/10/2020
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre automatique et systèmes (Fontainebleau, Seine et Marne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Morin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Petit, Sébastien Changey, Tarek Hamel, Sihem Tebbani
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Morin, Hélène Piet-Lahanier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Estimation de paramètres

Aérodynamique

Capteurs (technologie)

Magnétomètres

Traitement du signal

Balistique extérieure

Observateurs d'états (mathématiques)

Mots clés libres

Observateurs non linéaires

Estimation d'attitude

Balistique extérieure

Traitement du signal

Nonlinear observers

Attitude estimation

Exteriors ballistics

Signal processing

Résumé

Cette thèse présente une méthode pour estimer l'attitude d'un projectile en vol à partir de mesures de directions. L'estimation d'attitude est une étape essentielle pour le développement de "munitions intelligentes", rendant possible le changement de cible en vol et l'optimisation de la portée. La méthode que nous proposons repose exclusivement sur un accéléromètre et un magnétomètre embarqués. En particulier, elle ne requiert pas de gyroscope, capteur coûteux et trop fragile pour survivre aux conditions de tir, quand il n'est pas soumis à des restrictions d'importation. Pour la détermination de l'attitude du projectile, nous contournons l'incapacité des accéléromètres à donner une mesure de direction de la gravité en vol ballistique, en les utilisant pour estimer la vitesse du projectile par rapport à l'air. Ceci est réalisé grâce à une méthode de détection de fréquence appliquée aux oscillations de précession et de nutation du projectile induites par les moments aérodynamiques qu'il subit. Par la suite, les variations de la vitesse du projectile nous donnent une information d'orientation partielle qui complète la direction donné par le magnétomètre 3-axes. Les deux informations sont traitées par un observateur d'attitude adapté du filtre complémentaire ; cette adaptation n'est pas triviale et on réalise une étude détaillée de la convergence de l'observateur proposé. L'efficacité de la méthode est illustrée par des résultats sur des données de simulation et des données de vol réel.

The thesis addresses the estimation of the attitude of an artillery shell in free flight, during the flight phase called exterior ballistics. Attitude estimation is an essential step for the development of "smart-shells" a.k.a. "guided-ammunition" which are capable of achieving various guidance tasks such as in-flight re-targeting and optimization of range. The method developed here uses strapdown accelerometers and magnetometers only. In particular, it does not use any rate gyro, a pricey component that is too fragile to survive the stress of gunshot when it is not subjected to import restrictions. For attitude determination, we circumvent the intrinsic inability of accelerometers to provide direction information in free flight, by employing them not to measure the direction of gravity but to estimate the velocity wrt the air. This is achieved through a frequency detection method applied to the pitching and yawing rotational dynamics generated by aerodynamics moments. In turn, the variation of the velocity gives us an orientation information that complements the direction given by the 3-axis Magnetometer. The two information are treated by an attitude observer adapted from the well-known complementary filter. This adaptation requires special care and an analysis of the convergence of the resulting observer is provided. The applicability of the method is shown on simulations and real-flight experiments.