Modeling and control of new generation of tethered energy drone
Modélisation et commande d’un drone captif
Résumé
The French energy transition law imposes a reduction of the fossil energies down to 50% within 10 years. Transition scenarios foresees renewable part of energy production to reach between 40% and 70%, with an increasing portion of wind energy. By 2027, the IEA predicts that wind will be the number-one source of the EU’s energy, but even that will not be enough to meet stringent emissions targets. Considering for example the floating offshore wind turbines, the material amount per unit of power involved in the construction of wind turbines and floating devices may render this concept unsustainable if it is scaled with current fossils energy production levels.The emerging airborne wind energy (AWE) sector offers breakthrough concepts that will allow diversifying the wind energy production offer.Recent research results are gradually assessing and eliminating feasibility risks and improving the understanding of AWE systems.A key premise for airborne wind is that it should be able to significantly reduce costs by cutting the amount of materials required for each generation unit, compared to traditional turbines. On the other hand, and unlike turbines, AWE systems have to cope with partially unpredictable wind to remain airborne and need to land when wind conditions are poor. Landings and launches are hard to automate, and each one raises the risk of catastrophic failure. Indeed, the presence of atmospheric turbulence in the lower layers of the atmospheric boundary layer as well as possibly the movement of the landing platform make the wind conditions very delicate (high turbulence and significant speed gradients). For example, in 2019, Makani's offshore 600kW energy kite prototype was lost during landing.In order to safely perform the take-off and landing phases of a drone-based AWE system, the objective is to steer it to a desired location (or position) in the air while maintaining the tether to a defined range of tension. To achieve that, a nonlinear multi-objectives controller is proposed to control simultaneously the drone and the on-ground winch. Since the main goal is to reach a target position and not to follow up closely a user-defined trajectory, a margin on the tracking error is tolerated while the system stays in a safety zone to avoid crashes. This controller is then tested and validated in simulation and experimentally on a developed prototype. Wind disturbances are also added to test the robustness of the controller. It appears that for high wind speed the aerodynamic forces have to be taken into account in the controller design. That is why an Extended Kalman Filter (EKF) has been developed to estimate these forces and include them to the controller.
Les systèmes éoliens aéroportés ont attiré beaucoup d’attention ces dernières années. Le but de ce système est de proposer un design alternatif aux éoliennes conventionnelles, grâce à un profil aérodynamique attaché au sol par un câble. L’idée est d’utiliser moins de structures et de fondations que pour les éoliennes conventionnelles et d’ainsi atteindre des vents de hautes altitudes qui sont plus stables et plus forts. Plus facile à transporter et à installer, ces systèmes peuvent permettre d’exploiter des gisements éoliens inaccessibles par les technologies actuelles, et sont bien mieux adaptés pour une installation sur des plateformes flottantes. Enfin, ces systèmes peuvent également être installés sur des bateaux comme complément de propulsion éolien, ce qui peut permettre de réduire significativement le recours aux combustibles fossiles dans ce domaine.Il existe deux catégories de système éolien aéroporté : les systèmes avec production au sol et ceux avec production embarquée. Pour la production au sol,l’élément volant est relié à une génératrice au sol grâce à un câble. Pour la production embarquée, la production d’énergie se fait en vol et est récupérée au sol à l’aide d’un câble conducteur.Dans la littérature, la modélisation, le contrôle et l’optimisation de ces systèmes sont des sujets largements traités que ce soit théoriquement, en simulation ou expérimentalement. Cependant, un point important qui a été peu étudié est son décollage et son aterrissage, notamment pour la commercialisation de tels systèmes.L’objectif de la thèse est de proposer une solution de décollage et d’aterrissage pour système éolien aéroporté. Pour cela, la solution envisagée utilise un drone sur lequel seront fixés d’une part le profil aérodynamique et d’autre part le câble. Après avoir modéliser le système, un contrôleur a été développer pour permettre de faire décoller et atterir le système en sécurité, tout en gardant le câble tendu. L’objectif étant d’atteindre une position souhaité et non de suivre parfaitement une trajectoire, une certaine erreur est tolérée tant que le système reste dans une zone de sécurité, pour ainsi éviter les crashs. Ce contrôleur a ensuite été testé et valié en simulation puis sur un protoype expérimental développé pour cette thèse. Les tests ont aussi été réalisés en présence de vent pour tester la robustesse du contrôleur. Pour des faibles vitesses de vent, le contrôleur arrive à rejeter cette perturbation, mais quand celui ci augmente, ild evient nécessaire d’intégrer les forces aérodynamiques au contrôleur. C’est pour ça qu’un filtre de Kalman fut ajouter pour estimer les forces aérodynamiques et ainsi pouvoir les prendre en compte dans le contrôleur.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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