Atterrissage d'un véhicule aérien à voilure fixe dans une zone réduite

Landing of a fixed-wing unmanned aerial vehicle in a limited area

Aterrizaje de un vehıculo aereo no tripulado de ala fija en una area limitada

• Auteur / Autrice : Armando Alatorre Sevilla
• Direction : Pedro Castillo-García, Rogelio Lozano-Leal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique et Robotique : Unité de recherche Heudyasic (UMR-7253)
• Date : Soutenance le 14/03/2024
• Etablissement(s) : Compiègne en cotutelle avec Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional (Mexico)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Heuristique et Diagnostic des Systèmes Complexes [Compiègne] / Heudiasyc

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Algorithmes

Aides à l'atterrissage (aéronautique)

Navigation (aéronautique)

Drones

Mots clés libres

Véhicule aérien à voilure fixe

Atterrissage autonome

Réduction de la vitesse de l'air

Atterrissage sur cible mobile

Drone à voilure fixe

Trajectoire phugoïde

Suivi de trajectoire

Fixed-wing unmanned aerial vehicle

Autonomous landing

Airspeed reduction

Automatic landing

Fixed-wing drone

Airspeed reduction

Flight recovery

Landing on a mobile target

Phugoid trajectory

Recovery systems

Trajectory tracking

Résumé

Le projet de thèse consiste à développer une solution pour l'atterrissage d'un drone à voilure fixe de configuration classique dans une zone limitée. Le principal défi consiste à réduire la vitesse de l'avion à une phase minimale pendant le vol, à l'aide d'algorithmes de contrôle automatique. La réduction de la vitesse d'un drone à voilure fixe s'effectue en augmentant son angle d'attaque, ce qui implique un freinage par la force de traînée. Cependant, cette manœuvre est critique pour un avion conventionnel, parce que si son angle d'attaque augmente au-delà de l'angle de décrochage, le véhicule peut perdre sa contrôlabilité, c'est-à-dire qu'il est possible que le véhicule aérien s'effondre et que sa structure soit endommagée. Le modèle mathématique est une représentation d'équations qui décrit le comportement de la dynamique du système. En considérant plusieurs variables pour obtenir une meilleure approximation de la dynamique du système, dans notre cas le véhicule à voilure fixe, la conception des stratégies de contrôle sera plus difficile et plus complexe. Dans ce travail de recherche, nous utiliserons un modèle mathématique non linéaire car les effets de décrochage peuvent être inclus par des approximations mathématiques du moment de tangage, des forces de portance et de traînée. Cela nous permet d'obtenir une meilleure performance des lois de contrôle pour la navigation autonome du drone à voilure fixe. L'une des limites des véhicules à voilure fixe est qu'ils atterrissent dans des espaces de dimensions réduites et que le pourcentage de dommages subis par leur structure est élevé. En outre, les perturbations extérieures et l'inexpérience des pilotes augmentent le risque de dommages. Il est bien connu qu'il est très difficile de satisfaire aux conditions d'une piste d'atterrissage. Par conséquent, la communauté scientifique s'est efforcée de mettre au point des solutions pour l'atterrissage dans des zones limitées. Dans la littérature, on trouve quelques solutions basées sur des véhicules hybrides et des systèmes de récupération. Les véhicules hybrides consistent à modifier la structure d'un véhicule à voilure fixe. Les moteurs sont répartis stratégiquement pour obtenir une configuration de véhicule multirotor, offrant certaines caractéristiques telles que le décollage et l'atterrissage verticaux. Cependant, ces actionneurs augmentent la masse du véhicule, la consommation d'énergie (ce qui réduit la durabilité du vol), la probabilité de défaillance, le coût d'acquisition, de réparation et d'entretien. Notre objectif dans ce travail de recherche est de concevoir et de valider des stratégies de contrôle pour l'atterrissage d'un drone à voilure fixe dans un espace limité. Les stratégies de contrôle ont été conçues selon deux approches : la première est basée sur le développement de manœuvres pour un drone à voilure fixe afin de réduire la vitesse à une phase minimale pendant le vol. Dans la deuxième approche, nous avons travaillé sur les stratégies de contrôle pour l'atterrissage d'un drone à voilure fixe sur un véhicule terrestre en mouvement. Une stratégie de contrôle a été proposée pour réduire la vitesse du drone à voilure fixe au minimum afin d'être capturé par un système de récupération. La stratégie de contrôle a été divisée en trois étapes de vol : dans la première étape, l'avion s'aligne dans le plan x-y tandis qu'il est conduit à une altitude souhaitée pour effectuer un vol de croisière. L'étape suivante consiste en un vol ascendant, axé sur le suivi d'une référence angulaire basée sur une trajectoire phugoïde. Cette trajectoire implique une augmentation de l'angle d'attaque jusqu'à l'angle de décrochage de l'avion. Ainsi, la vitesse aérienne obtient une réduction maximale dans des conditions sûres, permettant au drone d'être capturé par le système de récupération. Toutefois, si le drone n'est pas capturé par le système de récupération, une stratégie de contrôle est appliquée pour rétablir le vol de l'aéronef.

The development of this thesis consists of designing some control strategies that allow a fixedwing drone with classical configuration to perform a safe landing in a limited area. The main challenge is to reduce the aircraft’s airspeed avoiding stall conditions. The developed control strategies are focused on two approaches: the first approach consists of the designing airspeed reduction maneuvers for a fixed-wing vehicle to be captured by a recovery system and for a safe landing at a desired coordinate. The next approach is focused on landing a fixed-wing drone on a moving ground vehicle. A dynamic landing trajectory was designed to lead a fixedwing vehicle to the position of a ground vehicle, reaching its position in a defined distance. Moreover, this trajectory was used in a cooperative control design. The control strategy consists of the synchronization of both vehicles to reach the same position at a desired distance. The aerial vehicle tracks the dynamic landing trajectory, and the ground vehicle controls its speed. In addition, we will propose a control architecture with a different focus, where the ground vehicle performs the tracking task of the aerial vehicle’s position in order to be captured. And, the drone’s task is to track a descending flight until the top of the ground vehicle. However, considering the speed difference between both vehicles. Therefore, we propose a new control architecture defining that the aircraft performs an airspeed reduction strategy before beginning its landing stage. The aircraft will navigate to a minimum airspeed, thus, allowing the ground vehicle to reach the fixed-wing drone’s position by increasing its speed. The control laws of each strategy were determined by developing the Lyapunov stability analysis, thus, the stability is guaranteed in each flight stage. Finally, the control strategies were implemented on prototypes allowing us to validate their performance and obtain satisfactory results for safe landing of a fixed-wing drone with classical configuration.