Attitude estimation & control of autonomous aerial vehicles
Contributions à l'estimation et à la commande d'attitude de véhicules aériens autonomes
Résumé
Nowadays, we see a growing popularity of the use of Unmanned Aerial Vehicles (UAV) ofespecially Vertical Take-Off and Landing (VTOL) type. One of the most known VTOL is thequadrotor or Quadcopter which is probably the most used one as a research platform. Thisthesis deal with attitude control and estimation techniques applied to a rigid body movingin 3D space such as Quadcopter VTOL. The first contribution of this thesis is the design ofa new class of complementary linear-like filters allowing the fusion of inertial vector measurementswith angular velocity measurements and combined with algebraic algorithms asTRIAD, QUEST etc. to give an efficient attitude estimation solution. This class of filtersallows several possibilities of implementation such as the order of the filters which can bechosen high in order to reduce more the measurement noise and the form of the filters thatcan be direct or passive and the ability to take into account the possible gyro bias. Lyapunovanalysis shows the global asymptotic convergence of the estimation errors to zero. The sameprinciple of data fusion is used for the proposed new attitude control law in which the complementaryfilters were included to reduce the effect of measurement noise. The obtainedcontroller ensures almost global stability of the desired equilibrium point; it represents thesecond contribution of this thesis. The third contribution takes into consideration an interestingspecial case, where instantaneous measurements of attitude and angular velocity areunavailable. A first order linear auxiliary system based directly on vector measurements isused in an observer-like system to handle the luck of angular velocity. The proposed controllerensures almost global asymptotic stability of the trajectories to the desired equilibriumpoint. Detailed sets of experiments were done to validate the obtained results
Les drones ou systèmes de drones aériens jouent un rôle de plus en plus important danstous les domaines, spécialement les drones à décollage et atterrissage verticaux. L’un desplus connus est le Quadrotor et, sans doute, il est la plateforme de recherche la plus utilisée.Cette thèse traite le problème de l’estimation et de la commande d’attitude appliqué àun corps rigide se déplaçant dans l’espace 3D tel que le Quadrotor. La première contributionde cette thèse est la conception et l’implémentation d’une solution d’estimation d’attitude.Celle-ci est basée sur un ensemble de filtres complémentaires combinés avec un algorithmealgébrique tel que TRIAD, QUEST, etc. avec la possibilité de choisir deux formes différentesdes filtres: la première dénommée forme Directe, et la seconde dénommée forme Passive.Les filtres proposés ont une flexibilité dans le choix de l’ordre qui peut être pris grand afinde bien réduire l’effet du bruit de mesure et permettent d’aboutir à un estimateur qui peutprendre en compte le biais éventuel des gyromètres. L’analyse par la théorie de Lyapunovprouve que les erreurs d’estimation tendent globalement et asymptotiquement vers zéro. Unesuite logique de cette première contribution est la proposition d’une solution pour la commanded’attitude qui constitue la deuxième contribution de cette thèse. Elle se traduit par ledéveloppement d’une nouvelle loi de commande d’attitude d’un corps rigide dans l’espace3D, dans laquelle seulement les vecteurs de mesures inertiels avec les mesures des gyromètressont utilisés. Elle utilise le principe de fusion des données à travers un filtre complémentairepermettant l’élimination des bruits des mesures tout en assurant une stabilité presque globalede l’équilibre désiré. La troisième contribution est une loi de commande pour la stabilisationd’attitude sans mesure de vitesse angulaire, ni mesure d’attitude. Pour cela, un systèmelinéaire auxiliaire basé sur les mesures des vecteurs inertiels a été introduit. Ce dernier sesubstitue au manque de l’information de la vitesse angulaire. L’analyse de stabilité du contrôleurproposé est basée sur la théorie de Lyapunov couplée avec le théorème de LaSalle. Ellepermet de conclure sur la stabilité presque globale de l’équilibre désiré. Les performances dessolutions proposées ont été validées par un ensemble de tests expérimentaux
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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