Commande multi-échelle sous contraintes, application à un véhicule de rentrée

Multi-scale control under constraints, application to a re-entry vehicle

• Auteur / Autrice : Juan Ramirez
• Direction : Bruno HÉrissÉ
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ONERA - Département Traitement de l'information et systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Automatique

Guidage

Perturbations singulières

Véhicule de rentrée

Pilotage

Guidance

Automatic control

Re-entry vehicle

Attitude control

Singular perturbations

Résumé

L'objectif de la thèse est de proposer des nouveaux algorithmes de guidage-pilotage basés sur la méthode des perturbations singulières pour le problème de rentrée atmosphérique pour un véhicule de type navette spatiale. Pour le guidage, un travail préliminaire consistera à obtenir des solutions quasi-optimales et boucles fermées obtenues en couplant les perturbations singulières à la commande optimale par principe du maximum de Pontryagin. Les solutions boucles fermées sont intéressantes d'un point de vue robustesse mais aussi d'un point de vue embarquabilité. Cela est particulièrement désirable en cas de besoin de recalculer la trajectoire en cours de vol (suite à un changement d'objectif ou à des perturbations subies), avec des moyens de calculs limités. La méthode proposée sera comparée avec les méthodes numériques et boucles ouvertes de l'état de l'art actuel (shooting indirect et continuation, ou optimisation convexe séquentielle). Ces résultats permettront d'alimenter les travaux en pilotage avec des trajectoires de références pertinentes. Pour le pilotage, les méthodes actuelles de conception par perturbations singulières, dites commandes composites, ne permettent pas de prendre en compte les limitations sur l'évolution dynamique des différentes variables d'un véhicule (incidence, ballottement carburant, modes souples). Des avancements récents en commande non linéaire proposent un cadre méthodologique, par fonctions Barrières-Lyapunov, pour intégrer des contraintes d'état/sortie dans la phase de synthèse d'un pilote. Ce cadre est d'autant plus prometteur puisqu'il permet aussi d'incorporer facilement des contraintes temporelles (p.e. dépassement, erreur statique) qui correspondent directement aux spécifications de performance imposées. Cette thèse vise à étendre la méthode par commandes composites afin d'intégrer différentes contraintes et spécifications de performance imposées sur un véhicule de rentrée atmosphérique.

The objective of the thesis is to propose new guidance and control algorithms based on the singular perturbation method for the atmospheric re-entry problem of a space shuttle-type vehicle. For guidance, a preliminary task will involve obtaining quasi-optimal and closed-loop solutions by coupling singular perturbations with optimal control using Pontryagin's Maximum Principle. Closed-loop solutions are interesting from a robustness perspective as well as for their suitability for onboard implementation. This is particularly desirable in cases where recalculating the trajectory during flight becomes necessary (following a change in objectives or external disturbances), with limited computational resources. The proposed method will be compared with state-of-the-art numerical and open-loop methods (indirect shooting and continuation, or sequential convex optimization). These results will support the control work with relevant reference trajectories. For control, current design methods using singular perturbations, known as composite control, do not account for limitations on the dynamic evolution of various vehicle variables (e.g., angle of attack, fuel sloshing, flexible modes). Recent advances in nonlinear control offer a methodological framework, based on Barrier-Lyapunov functions, to incorporate state/output constraints during the controller synthesis phase. This framework is particularly promising as it also allows for the easy integration of time constraints (e.g., overshoot, steady-state error), which directly correspond to the imposed performance specifications. This thesis aims to extend the composite control method to integrate various constraints and performance specifications imposed on an atmospheric re-entry vehicle.