Commande automatique de véhicules convertibles à poussée vectorielle

Control of convertible vehicles with vectorized thrust

• Auteur / Autrice : Tomas Lopes de Oliveira
• Direction : Tarek Hamel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, traitement du signal et des images
• Date : Soutenance le 12/12/2024
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Nice ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Informatique, signaux et systèmes (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Jury : Président / Présidente : Ezio Malis
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Tarek Hamel, Ezio Malis, Pascal Morin, Rita Cunha, Claude Samson, Abdelhamid Tayebi, Daniele Pucci, Murat Bronz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Morin, Rita Cunha

Mots clés

Mots clés contrôlés

Commande non linéaire

Drones

Commande automatique

Aéronefs

Mots clés libres

Commande automatique

UAV

Commande non linéaire

Véhicules convertibles

Essais en vol

Control

UAV

Nonlinear control

Convertible vehicles

Flight experiments

Résumé

Cette thèse traite du contrôle des véhicules convertibles à poussée vectorielle. Elle développe et valide une solution de contrôle unifiée, applicable à une large gamme de régimes de vol, incluant le vol stationnaire, le vol de croisière, ainsi que les transitions entre ces phases. Le travail de recherche apporte trois contributions majeures dans ce domaine. La première contribution porte sur l'extension de la solution de contrôle au vol à basse vitesse, une zone où les méthodes de contrôle actuelles sont souvent inadéquates. Cela est accompli par l'introduction d'une stratégie spécifique pour le vol stationnaire, accompagnée d'une politique de contrôle dédiée à la gestion des transitions entre le vol stationnaire et le vol de croisière, et inversement. La deuxième contribution concerne l'estimation de la vitesse air, essentielle pour le contrôle dans toutes les phases de vol. L'observateur proposé, qui inclut également l'estimation de l'attitude, s'appuie sur les mesures de la sonde Pitot, ainsi que sur des données accélérométriques et gyroscopiques. Il combine les méthodes de synthèse des observateurs de Riccati et des filtres équivariants. Les conditions d'observabilité uniforme sont clairement identifiées et caractérisées, et les performances de l'observateur ont été évaluées à la fois sur des données simulées et réelles issues de vols expérimentaux. La troisième contribution se concentre sur l'implémentation pratique de cette solution de contrôle sur diverses configurations de drones convertibles, en tenant compte des exigences spécifiques des moteurs et des surfaces de contrôle pour chaque régime de vol. Les avancées théoriques sont validées par des simulations et des tests en vol, visant à obtenir des performances robustes sur différentes plateformes, y compris dans des conditions difficiles, comme les vents forts. Des expérimentations menées sur deux types de drones — l'un à rotors inclinables et l'autre à moteurs fixes — démontrent l'efficacité de l'approche dans des conditions réelles.

This thesis addresses the control of convertible aerial vehicles with vectorized thrust. It presents a unified control solution designed to operate effectively across various flight regimes, including hovering, cruise, and the critical transitions between these phases. The research delivers three significant contributions to the field of aerospace control systems. The first contribution expands the scope of the control solution to include low-speed flight, a domain where traditional control methods often fall short. This is achieved by devising a tailored strategy for hovering, coupled with a control policy that manages the transition phases between hovering and cruise flight. This ensures smooth and efficient transitions, which is critical for operational flexibility and safety in real-world applications. The second contribution involves the estimation of the air velocity, a vital parameter for maintaining effective control throughout all flight phases. The proposed observer not only estimates this velocity but also provides robust attitude estimation. It utilizes data from the Pitot tube, accelerometers, and gyroscopes. The approach combines the Riccati observer framework with the equivariant filter designs. The uniform observability conditions required for the well-conditioning of the proposed observer are identified and characterized. The observer's performance and effectiveness have been tested and validated using realistic simulated data and data from real-world flight experiments, demonstrating its practical applicability and robustness. The third contribution focuses on the practical implementation of the control system across various drone configurations to provide a comprehensive solution that enhances the operational capabilities of convertible vehicles with vectorized thrust. It carefully considers each flight regime's specific motor actuation and control surfaces' requirements. The theoretical developments are validated through extensive simulations and real-world flight tests to achieve a robust control scheme with high performance. These tests are conducted under various conditions, including challenging environments with strong winds. Flight experiments performed on two different drone platforms—one with tiltable rotors and another with fixed motors—showcase the versatility and efficiency of the proposed control approach in handling diverse real-world scenarios.