Conception, modélisation, et commande d'un mini-drone convertible

par Duc Kien Phung

Thèse de doctorat en Robotique

Sous la direction de Stéphane Doncieux et de Pascal Morin.

Soutenue le 28-01-2015

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris , en partenariat avec Institut des Systèmes Intelligents et de Robotique (laboratoire) .

Le jury était composé de Faïz Ben Amar, Tarek Hamel, Philippe Martin, Jean-Marc Moschetta, Alexandra Moutinho.


  • Résumé

    Cette thèse concerne les drones dits "convertibles", qui allient capacité au vol stationnaire et efficacité énergétique en vol de croisière. Les principales contributions de ce travail comportent trois volets. D'abord, nous concevons une nouvelle structure de drone en ajoutant de chaque côté d'un quadrirotor une aile qui peut pivoter autour d'un axe appartenant au plan des hélices. Notre prototype a de nombreux avantages par rapport aux structures convertibles existantes: conception mécanique simple car dérivée d'un quadrirotor classique, flexibilité pour le montage de différents composants (ailes, hélices), etc. Deuxièmement, nous proposons une modélisation énergétique de ce type de drone convertible, en tenant compte de ses caractéristiques par rapport aux hélicoptères avec pilote à bord (grande variation des forces aérodynamiques, dégradation des performances à faible nombre de Reynolds, etc.). Finalement, concernant la conception de la commande, les degrés de liberté des ailes permettent le découplage entre les orientations des hélices et celle des ailes. Cela augmente considérablement les possibilités de contrôle par rapport aux aéronefs traditionnels. S'appuyant sur cette caractéristique, plusieurs approches de contrôle sont proposées. En particulier, en utilisant une conception géométrique spécifique, nous montrons qu'un contrôle efficace peut être obtenu sans mesures de la vitesse air. Les résultats de simulation confortent cette stratégie de contrôle, même en présence de vent fort et variable. Afin de valider la théorie, un prototype mécanique du drone a été construit dans notre laboratoire et des essais en vol préliminaires ont été effectués.

  • Titre traduit

    Conception, modeling, and control of a convertible mini-drone


  • Résumé

    There is a growing interest to design convertible aerial vehicles that can hover like helicopters and fly forward efficiently like airplanes. This thesis is devoted to the conception, modeling, and control of such a convertible mini-UAV (Unmanned Aerial Vehicle). The main contributions of this work are threefold. Firstly, we design a novel UAV structure by adding to each side of a quadrotor one wing that can rotate around an axis belonging to the propellers' plane. Our prototype has many advantages over existing convertible structures: simple mechanical concept since inspired by a classical quadrotor, flexibility for selecting different components (wings, propellers), flexibility for the control design, etc. Secondly, we provide an energy modeling of this type of convertible UAVs, taking into account their characteristics as compared to full-scale helicopters (large variation of aerodynamic forces, performance degradation at low Reynolds number, etc.). Finally, as for the control design, the degrees of freedom of the wings permit the decoupling between propellers and wings' orientations. This greatly enhances the control flexibility as compared to traditional aircraft. Relying on this feature, several control approaches are proposed. In particular, using a specific geometrical design, we show that an efficient control of our UAV can be obtained without air-velocity measurements. Simulation results confirm the soundness of our control design even in the presence of strong and varying wind. En route to validate the theory, a mechanical prototype of the UAV was constructed in our laboratory and preliminary flight tests were performed.


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