Effect of Actuation Properties of Multi-Rotor Aerial Vehicles on Their Abilities : Emphasis on Hoverability, Failure Robustness and Trajectory Tracking

Effect of Actuation Properties on the Abilities of Multi-Rotor Aerial Vehicles with Emphasis on Hoverability, Fail-safe Robustness, and Trajectory Tracking

• Auteur / Autrice : Mahmoud Hamandi
• Direction : Antonio Franchi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique et Robotique
• Date : Soutenance le 22/09/2021
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Systèmes (Toulouse ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LAAS - Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes - Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes / LAAS
• Jury : Président / Présidente : Simon Lacroix
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Antonio Franchi, Paolo Robuffo Giordano, Isabelle Fantoni
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Paolo Robuffo Giordano, Isabelle Fantoni

Mots clés

Mots clés contrôlés

Commande automatique

Robotique

Mots clés libres

Contrôle des robots aérienne

Design des robots aérienne

Robots aériens à poussée multidirectionnelle

Robotique

Contrôle automatique

Aerial Robotics Control

Aerial Robotics Design

Multidirectional-Thrust aerial robots

Robotics

Automatic control

Résumé

Le sujet principal de cette thèse est l’étude des propriétés d’actionnement des Véhicules Aériens (VA), et leurs force/moment réalisables et leurs capacités utiles qui en découlent. Le domaine des VA et les applications correspondantes se sont développés au cours de la dernière décennie, où de nombreuses nouvelles conceptions VA ont émergé au-delà de la conception quadrirotor classique. Ces conceptions utilisent une gamme de techniques pour étendre les capacités de la plate-forme, telles que l’inclinaison active des hélices en vol pour changer la direction de poussée de la plate-forme, l’inclinaison des hélices de la plate-forme pour obtenir un actionnement complet, ou encore optimiser le placement et l’orientation de l’hélice pour obtenir un vol omnidirectionnel. Avec la vaste littérature englobant différentes conceptions, il était inévitable que chaque groupe de conceptions suive une nomenclature et un cadre de conception spécialisés. Bien que cette approche ait contribué à l’avancement de ces conceptions, elle rend la comparaison des capacités de différentes conceptions une tâche difficile. Contrairement aux plates-formes à voilure fixe, les VA sont utilisés pour leur capacité à flotter sur place, c’est-à-dire à stabiliser leur position autour d’une position souhaitée sur une période de temps. A partir de cette configuration, une plate-forme doit avoir la possibilité de se déplacer ensuite en suivant une trajectoire souhaitée. Bien que ces deux capacités aient été discutées en profondeur dans la littérature de manière implicite et explicite, nous pensons que les conditions pour qu’une plate-forme flotte ont été discutées soit théoriquement, soit dérivées pour des plates-formes spécifiques. Cependant, un cadre numérique général permettant l’analyse de cette capacité n’a jamais été introduit. De même pour la capacité d’une plate-forme à voler de manière omnidirectionnelle : alors que le comportement souhaité d’une plate-forme omnidirectionnelle est intuitivement compris et que les conditions pour atteindre cette capacité ont été discutées dans la littérature, ces conditions ignorent généralement les limites d’actionnement de la plate-forme et nécessitent une analyse au cas par cas de la capacité de la plateforme. D’un autre point de vue, les VA sont généralement équipés d’un ensemble de capteurs qui permettent à ces véhicules de détecter leur environnement et d’estimer leur état. Ces capteurs sont à l’origine de l’intelligence associée à ces plateformes, et qui leur permet de naviguer de manière autonome. L’un de ces capteurs, devenu crucial pour les VA moderne, est l’Unité de Mesure Inertielle (UMI). En plus de leur utilization pour l’estimation d’état, les mesures des UMI ont été récemment utilizes pour piloter un quadrotor de manière robuste. Bien que ces contrôleurs aient permis aux quadrotors d’atteindre des performances intéressantes, ils reposent toujours sur des mesures à haute fréquence des vitesses des hélices et filtrent les mesures d’UMI avec des filtres moins qu’optimaux. En tant que tel, et suite à l’introduction ci-dessus, cette thèse tente de fournir une pléthore de contributions à la fois dans la perspective de conception et de contrôle des véhicules aériens multi-rotors commençant par la modélisation des VA génériques, suivie par des méthodes numériques pour analyser leurs capacités de base. Ces analyses sont suivies de contributions à la conception d'un nouveau prototype VA omnidirectionnel et d'une analyse expérimentale de différents suivis de trajectoire VA. Enfin, une nouvelle méthode pour filtrer les mesures UMI et les utiliser dans un contrôle robuste des VA. Chacune de ces contributions est couplée à des contributions mineures supplémentaires, laissées au lecteur curieux à trouver. Enfin, chacune des contributions théoriques présentées dans cette thèse est couplée à une vaste campagne expérimentale qui démontre les hypothèses énoncées.

This thesis focuses on the study of the actuation properties of Aerial Vehicles (AV)s, and their ensuing feasible wrench sets and useful abilities. The the field of AVs, and the corresponding applications, expanded in the last decade, where many new AV designs emerged beyond the classical quadrotor design. These groups of designs employ a range of techniques to expand the platform’s abilities, such as actively tilting propellers while in flight to change the platform’s thrust direction, tilting platform’s propellers to achieve full actuation, or even optimizing the propeller’s placement and orientation to achieve omnidirectional flight. With the vast literature encompassing different designs, it was inevitable that each group of designs follows a specialized nomenclature and design framework. While this approach helped the advancement of these designs, it renders the comparison of the capabilities of different designs a challenging task. Moreover, while each design is demonstrated capable of the tasks it was built for, it would be interesting to define a set of basic abilities that could provide a clear idea of a platform’s possible applications. Unlike fixed wing platforms, AVs are used for their ability to hover in place, i.e., stabilize their position about a desired one over a period of time. From this configuration a platform should have the ability to then move around by following a desired trajectory. While these two abilities have been thoroughly discussed in the literature in an implicit and explicit way, we believe that the conditions for a platform to hover have been discussed either theoretically, or derived for specific platforms. However, a general numerical framework that allows the analysis of this ability was never introduced. Similarly for a platform’s ability to fly in an omnidirectional way: while the desired behavior of an omnidirectional platform is intuitively understood, and the conditions to achieve this ability have been discussed in the literature, these conditions usually ignore the platform’s actuation limits, and require a case by case analysis of the platform’s ability. From another perspective, AVs are usually equipped with an array of sensors that allow these vehicles to sense their environment and estimate their state. These sensors are the source of the intelligence associated with these platforms, and which allows them to navigate autonomously. One of these sensors, that has become crucial for the modern AV, is the Inertial Measurement Unit (IMU). The IMU provides acceleration, angular velocity and possibly magnetometer measurements. These measurements are crucial for the state estimation of the platform when flying indoor or outdoor. In addition to state estimation, new control schemes emerged in the last few years that attempt to benefit from the high frequency of these measurements to fly a quadrotor robustly. While these controllers have allowed quadrotors to achieve interesting performances, they still rely on high frequency measurements of the propeller speeds, and filter the IMU measurements with less than optimal filters. As such, and following the above introduction, this thesis attempts to provide a plethora of contributions both in the design and control perspective of multi-rotor aerial vehicles starting with modeling generic AVs, followed by numerical methods to analyze their basic abilities. These analyses are followed by contributions in the design of a novel omnidirectional prototype AV and by experimental analysis of different AV trajectory tracking. Finally, a novel method to filter IMU measurements and employ them in robust control of AVs. Each of these contributions is coupled with additional minor contributions, left for the curious reader to find. Finally, each of the theoretical contributions presented in this thesis is coupled with an extensive experimental campaign that demonstrates the stated hypotheses.