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Thèse Année : 2006

Commande d'un minidrone à hélice carénée : de la stabilisation dans le vent à la navigation autonome

Résumé

The design of autonomous navigation strategies for ducted fan unmanned aerial vehicles
has now become an important research area. Those small vehicles, able to perform stationary
flight, are of great interest for military and civilian applications. The robustness to wind perturbations
is the main challenge of those vehicles. Due to the low Reynolds number and the
atypical shape of the body, the characterization of the aerodynamic forces applied to ducted fan
rotorcrafts is still a difficult problem. Therefore, it is important to estimate those efforts on-line
in order to counter them in control. After a modelling step, we extract a cascade structure of
the system in order to perform nonlinear control design based on backstepping techniques. We
propose a hierarchical controller separated in a high-level position control and a low level attitude
control. Before implementing this control on the vehicle, we have to retrieve the position and
attitude from the measurements of the sensors. We develop nonlinear filtering techniques on the
special orthogonal group to estimate attitude. We also perform IMU/GPS hybridazition to estimate
the position. The estimated state is used in the feedback control to ensure hovering flight.
In a last part, we complete the control scheme to perform autonomous navigation of the vehicle
amidst obstacles. The efficiency of the method is illustrated by simulations and experiments led
on the ducted fan VTOL UAV HoverEye developped by Bertin Technologies.
A l'heure actuelle, les projets d'utilisation de drone de petites tailles à capacité de vol stationnaire
pour des missions d'observation dans des environnements urbains se multiplient. Les
contraintes d'encombrement et de confinement des pales pour la sécurité des utilisateurs ont remis
au goût du jour l'utilisation de véhicules à hélices carénées. L'enjeu majeur de ces minidrones est
la résistance au vent. Cependant, leur forme atypique et les faibles nombres de Reynolds associés
sont à l'origine de phénomènes aérodynamiques dont la caractérisation fine reste un problème
largement ouvert. Il est donc nécessaire de développer des stratégies de commande estimant ces
efforts en ligne pour pouvoir les contrer. Après une étape de modélisation, nous mettons en
évidence une structure chaînée propice à une architecture de contrôle en cascade, combinant un
contrôle en position de haut niveau et un contrôle en attitude de bas niveau. Mais proposer une loi
de commande pour le maintien à poste ne suffit pas. Encore faut-il, pour pouvoir l'implémenter
dans le calculateur, disposer des informations de position et d'attitude pour le contrôle en boucle
fermée. Nous proposons des techniques de filtrage pour reconstituer l'état du drone à partir des
mesures capteurs. Notre contribution porte sur deux aspects : la conception d'estimateurs non
linéaires dans l'espace des matrices orthogonales pour la restitution d'attitude d'une part, et la
navigation inertielle hybridée d'autre part. Après avoir fermé la boucle "Observation-Contrôle",
nous nous intéressons au problème de la navigation en présence d'obstacle. L'efficacité des méthodes
proposées est verifiée par des simulations et des expérimentations menées sur le minidrone
à hélice carénée HoverEye développé par la Société Bertin Technologies.
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Vignette du fichier
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Dates et versions

tel-00132352 , version 1 (21-02-2007)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00132352 , version 1

Citer

Jean-Michel Pflimlin. Commande d'un minidrone à hélice carénée : de la stabilisation dans le vent à la navigation autonome. Automatique / Robotique. SUPAERO, 2006. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00132352⟩
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