Modeling and control of VTOL vehicles with rigid manipulators

par Jonatan Alvarez muñoz

Thèse de doctorat en Automatique - productique

Sous la direction de Nicolas Marchand.

Soutenue le 07-11-2017

à l'Université Grenoble Alpes (ComUE) en cotutelle avec l'Universidad Autónoma de Puebla , dans le cadre de École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble) , en partenariat avec Grenoble Images Parole Signal Automatique (laboratoire) .

Le président du jury était Stéphane Viollet.

Le jury était composé de Edouard Laroche, Ahmad Hably, Sylvain Durand, José Fermi Guerrero Castellanos.

Les rapporteurs étaient Antonio Franchi, Arturo Zavala Rios.


  • Résumé

    La manipulation aérienne a été un domaine de recherche actif ces dernières années, principalement parce que les applications actives des véhicules aériens autonomes (UAV en anglais), augmente l'employabilité de ces véhicules pour diverses applications.Le développement récent de la manipulation aérienne a trouvé des applications potentielles dans les deux domaines, militaires et civils. Les applications militaires incluent le patrouilleur des frontières, la détection des mines, la reconnaissance, etc., tandis que les applications civiles sont en matière de gestion des catastrophes, d'inspection des ponts, de construction, de livraison de matériel, de recherche et de sauvetage, etc.La recherche sur la robotique aérienne implique principalement des hélicoptères et des architectures de décollage et d'atterrissage verticales (VTOL). Le principal avantage de ces plates-formes est leur maniabilité et la capacité d'effectuer des vols stationnaires, ce qui est essentiel pour les applications. Cette thèse porte sur les avions VTOL, où l'hélicoptère à quatre rotors ou quadrirotor est principalement étudié.En ce qui concerne le problème de la manipulation aérienne, la quantité d'applications augmente, mais en même temps, la complexité de la modélisation et du contrôle d'un tel système est également plus grande. L'un des plus grands défis réside dans leur charge utile limitée. Certaines approches ont essayé de résoudre le problème en utilisant plusieurs robots pour transporter des charges utiles avec des pinces ou des câbles, où leurs effecteurs et pinces doivent être légers eux-mêmes et capables de saisir des formes complexes. Un autre défi est que la dynamique du robot est considérablement modifiée par l'ajout de charges utiles. Cependant, pour le transport de la charge utile, il est nécessaire que les robots puissent estimer l'inertie de la charge utile et s'y adapter pour améliorer les performances de suivi.Selon les antécédents et les défis sur les véhicules VTOL portant des charges utiles ou des manipulateurs, la contribution du présent travail est centrée sur la modélisation et la conception d'une loi de commande non linéaire et une analyse de stabilité formelle pour la stabilisation asymptotique d'un véhicule VTOL portant un bras manipulateur. Pour cela, un modèle général d'un quadrirotor portant un bras manipulateur est proposé. Après cela, une loi de commande presque globalement asymptotique lisse pour la stabilisation de l'attitude qui prend en compte les effets de mouvement du bras est conçue. Une fois que le problème d'attitude est résolu, il est possible de concevoir un contrôleur non linéaire globalement asymptotique pour la dynamique de position basée sur l'utilisation de somme des fonctions saturés afin de prendre en compte les limitations des actionneurs. Enfin, certaines expériences pour valider les lois de commande proposées sont effectuées.

  • Titre traduit

    Modélisation et contrôle des véhicules VTOL avec manipulateurs rigides


  • Résumé

    Aerial manipulation has been an active area of research in recent years, mainly because the active tasking of Unmanned Aerial Vehicles (UAV) increases the employability of these vehicles for various applications.The recent development of the aerial manipulation has found potential applications in both, military and civilian domains. Military applications include border patrolling, mine detection, reconnaissance, etc., while civilian applications are in disaster management, bridge inspection, construction, material delivery, search and rescue, etc.The research on aerial robotics has mainly involved helicopters and Vertical Take-off and Landing (VTOL) architectures. The main advantage of these platforms is theirmaneuverability and the capacity to perform hovers, which is essential for the applications. This thesis deals with VTOL aircrafts, where the four rotor helicopter, quadcopter or quadrotor is mainly studied.Regarding the problem of aerial manipulation, the amount of applications are increased, but at the same time the complexity of modeling and control of such a system are equally bigger. One of the biggest challenges arise from their limited payload. Some approaches have tried to solve the problem using multiple robots to carry payloads with grippers or with cables, where their end effectors and grippers have to be lightweight themselves and capable of grasping complex shapes. Another challenge is that the dynamics of the robot are significantly altered by the addition of payloads. However, for payload transport, it is necessary that the robots are able to estimate the inertia of the payload and adapt to it to improve tracking performance.According to the background and challenges on VTOL vehicles carrying payloads or manipulators, the contribution of the present work is centered on the modelling and the design of a nonlinear control and a formal stability analysis for the asymptotical stabilization of a VTOL vehicle carrying a manipulator arm. For this a general model of a quadcopter carrying a manipulator arm is proposed. After that, a smooth almost globally asymptotically control law for attitude stabilization which takes into account the arm motion effects is designed. Once the attitude problem is solved, it is possible to design a a globally asymptotically nonlinear controller for the translational dynamics based in the usage of nested and sum of saturation functions in order to take into account the actuators limitations. Finally, some experiments in order to validate the proposed control laws are carried out.


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