Planification de trajectoire pour drones de combat

par Thibault Maillot

Thèse de doctorat en Mathématiques appliquées

Sous la direction de Jean-Paul André Gauthier.

Soutenue le 03-10-2013

à Toulon , dans le cadre de Ecole Doctorale Mathématiques et Informatique de Marseille (Marseille) , en partenariat avec Laboratoire des Sciences de l'Information et des Systèmes (La Garde, Var) (laboratoire) et de LSIS (laboratoire) .


  • Résumé

    L’objectif principal de ce travail est l’étude de la planification de trajectoires pour des drones de type HALE ou MALE. Les modèles cinématiques de ces drones sont étudiés. Les drones HALE sont modélisés par le système de Dubins. Pour les drones MALE, le modèle est construit en étudiant le repère cinématique du drone. Nous considérons les problèmes de planification de trajectoires point-point et point-pattern. Il s’agit, à partir de la position courante du drone, de rejoindre un point ou une figure prédéfinie dans l’espace. La planification point-point est abordée sous forme d’un problème de contrôle optimal. Deux méthodes sont proposées pour résoudre le problème point-pattern. D’abord nous présentons la synthèse en temps minimal pour le système de Dubins. Ensuite, nous développons une méthode basée sur le principe de LaSalle. La première méthode est utilisée au sein d’un algorithme de planification pour des drones HALE. La deuxième permet de stabiliser les deux types de drones considérés vers un pattern. Nous proposons une extension des algorithmes de planification développés, basée sur une discrétisation del’espace grâce aux graphes de Voronoï et une méthode de planification discrète, pour construire des trajectoiresdans des milieux encombrés. Nous étudions également le problème de couplage drone/capteur. Il s’agit de calculer une trajectoire permettant de satisfaire les objectifs du drone et de son capteur (une caméra). L’algorithme proposé est construit à partir de la résolution d’un problème quadratique sous contraintes.Dans une seconde partie, nous analysons un problème de contrôle optimal inverse. Celui-ci permet d’améliorer les résultats des méthodes de planification en s’inspirant du comportement des pilotes. Après avoir posé le problème, les résultats théoriques sont exposés et le cas particulier du système de Dubins est étudié en pratique.

  • Titre traduit

    Path planning of unmanned combat aircraft vehicles


  • Résumé

    This thesis is about path planning for HALE or MALE UAVs (Unmanned Aircraft Vehicles), possibly under mission constraints. As such, the study is performed at the kinematic level : HALE UAVs are represented as Dubins systems, and a model for MALE UAVs is constructed by studying their kinematic frame. In the first part, we tackle the path planning problem for a UAV that must join a target (a point or a pattern), starting from any position. The point to point path planning problem is addressed as an optimal control problem. Regarding the point to pattern path planning problem, two different methods are proposed. The former consists in solving the minimum time synthesis for the Dubins system, in order to obtain a basis for a HALE UAVs planning algorithm. The latter method relies on the LaSalle principle ; it permits to stabilize a HALE or MALE UAV to a pattern.In addition, extensions of the previously developed algorithms to cluttered environnement are provided. This extension is achieved thanks to a space discretization using Voronoi diagrams and a discrete planning method. Finally, the mission constraints are dealt with as a coupling problem between the UAV and its sensors. The proposed algorithm is presented in the form of a constrained quadratic problem.In the second part of this thesis, we want to refine the planning algorithm to get a result closer to trajectories of pilots. In order to do that, we solve an inverse optimal control problem where the cost to find is computed from the experience of pilots. Theoretical results are presented and applied to the particular case of the Dubins system.


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