Stabilisation d'un véhicule aérien autonome en présence de vent

par Laura Elena Muñoz Hernández

Thèse de doctorat en Technologies de l’information et des systèmes

Sous la direction de Pedro Castillo-García et de Isabelle Fantoni-Coichot.

Soutenue en 2012

à Compiègne .


  • Résumé

    Ce travail de thèse porte sur l’obtention des méthodes originales et robustes permettant le vol stationnaire automatique d’un véhicule aérien en présence de rafales de vent, dont les simulations développées ont été testées par des expériences en temps réel en utilisant deux plates-formes différentes. La représentation dynamique du véhicule volant en présence de vent a été bien sur un des premiers objectifs à résoudre avant le développement des stratégies de commande. Nous avons obtenu un modèle mathématique pour l’avion du type PVTOL (Planar Vertical Take-Off and Landing) et pour l’hélicoptère à quatre rotors qui tient compte des forces aérodynamiques produites par le vent. Ces modèles permettent d’expliquer le fonctionnement de ces types d’engins volants, à savoir comment sont générées les forces et les couples induits par le vent qui agissent sur l’appareil. Par ailleurs, trois lois de commande non linéaires basées sur l’analyse de Lyapunov ont été proposées pour stabiliser le drone en présence de vent. La première approche utilise des RCLFs (Robust Control Lyapunov Functions). Etant donné la complexité du problème, nous avons commencé par un système qui se déplace sur un seul axe, c’est à dire, un chariot. Ce résultat a ensuite été étendu pour le cas d’un avion du type PVTOL et pour l’hélicoptère à quatre rotors. Pour valider les algorithmes de commande plusieurs simulations ont été réalisées. Pour tester sa viabilité dans une application réelle, nous avons fait des expériences à l’aide du prototype de l’avion PVTOL. Les résultats en simulation et en temps réel nous ont montré la bonne performance de la loi de commande en boucle fermée. La deuxième approche est basée sur des fonctions de saturations séparées. Cette loi de commande a été proposée, à l’origine, par G. Sanahuja et al, cependant, nous avons montré une analyse de robustesse par rapport à des perturbations externes inconnues et des incertitudes non linéaires dans le modèle. La preuve prend en compte comme seule hypothèse le fait que la perturbation soit bornée (comme des rafales de vent). Les algorithmes ont été testés sur le prototype aérien et les résultats expérimentaux ont montré une bonne performance en présence de fortes perturbations. La dernière approche prend en compte les propriétés intrinsèques de l’hélicoptère à quatre rotors, en particulier, la passivité Ainsi, une loi de commande sous-optimale a été développée. L’analyse est basée sur l’énergie complète du système, la passivité, la théorie de stabilité de Lyapunov et l’utilisation de la programmation dynamique. Les résultats en simulation ont montré que cette commande peut être utile quand l’hélicoptère doit faire des manœuvres plus complexes que le vol stationnaire. Enfin, un schéma de contrôle utilisant un observateur d’état a été développé. Ce schéma emploie le filtrage de Kalman étendu pour estimer la position dans le plan (x,y) et la vitesse verticale z du drone. En utilisant des mesures d’une centrale inertielle, un capteur d’altitude, un système de vision et les entrées de commande, l’état du système est estimé. Le système de vision est utilisé pour obtenir les vitesses de translation du véhicule et il se compose d’une caméra et un algorithme de flux optique. L’observateur a été validé par des expériences en temps réel pour l’hélicoptère à quatre rotors dont les résultats ont été très concluants.

  • Titre traduit

    Stabilization of an unmanned aerial vehicle in presence of wind


  • Résumé

    This thesis is focused in the design of original and robust control strategies to stabilize an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) in presence of wind disturbances. The proposed control strategies have been tested in simulations and in real-time experiments in two different platforms. It introduces the mathematical model of a UAV in presence of wind. We obtained the dynamical model which takes into account the complementary forces induced by the wind for a Planar Vertical Take-Off and Landing (PVTOL) aircraft and for the quadrotor rotorcraft. On the other hand, three different nonlinear control laws based on the Lyapunov analysis have been developed to stabilize the UAV in presence of wind. The first approach uses the Robust Control Lyapunov Functions (RCLFs). Given the complexity of the problem, we begun with a mini car which moves on its longitudinal axis. This result has been extended to the case of the PVTOL aircraft and to the quadrotor rotorcraft. Several simulations have been carried out to validate the proposed algorithms. To test its viability in a real application, we have realized experiments using a PVTOL prototype. The simulations and experimental results in real time showed the good performance of the control law in closed loop. The second approach is based on the saturation functions. We have proposed a robust analysis with respect to unknown external disturbances and nonlinear uncertainties in the model. The proof takes the hypothesis that the wind is bounded. The algorithms have been tested in a quadrotor prototype and the results showed a good performance even in presence of wind disturbances. The last approach considers the intrinsic properties of the quadrotor flying vehicle, specially the passivity. Thus, a sub-optimal control law has been developed. The analysis is based on the full energy of the system, the passivity, the Lyapunov theory and the use of dynamic programming. The simulation results have showed that this control law can be useful when the flying vehicle has to do more complex maneuvers than hover. Finally, a control scheme using a state observer has been developed. This scheme uses the Extended Kalman Filter (EKF) to estimate the position in the (x,y) plain and the vertical velocity z of a quadrotor rotorcraft. Using the measurements of an inertial measurement unit, an altitude sensor, a vision system and the control inputs the system state is estimated. The vision system is used to compute the translational velocities of the vehicle and it is composed by a camera and an optical flow algorithm. The estimator has been validated by experiments in real time and the results have been very conclusive.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (176 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. 79 réf.

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  • Bibliothèque : Université de Technologie de Compiègne. Service Commun de la Documentation.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2012 MUN 2055
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