Commande de drone miniature à voilure tournante

Control of rotorcraft-based unmanned aerial vehicles

• Auteur / Autrice : Sylvain Bertrand
• Direction : Tarek Hamel, Hélène Piet-Lahanier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Nice
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Perturbations singulières (mathématiques)

Systèmes adaptatifs

Commande prédictive

Systèmes de guidage (vol)

Drones

Résumé

L'utilisation de drones miniatures à voilure tournante est limitée par leur grande sensibilité face aux perturbations aérologiques. Cette particularité, ajoutée à la non linéarité de leur dynamique, rend complexe le développement de lois de commande pour de tels véhicules. Afin de permettre une automatisation de leur vol en tenant compte de ces difficultés, deux classes d'approches pour la synthèse de lois de commande sont étudiées dans cette thèse : la commande prédictive, puis la synthèse de lois de commande non linéaires via une analyse par fonctions de Lyapunov dans le cas où les vitesses du véhicule ne sont pas mesurées. Des contrôleurs de nature prédictive ont été proposés dans la littérature, mais sans considérer simultanément un modèle suffisamment représentatif de la dynamique d'un drone miniature à voilure tournante et une approche de commande garantissant la stabilité. A ce titre, nous proposons ici plusieurs algorithmes de commande prédictive ainsi que leur adaptation au développement de lois de guidage-pilotage de drone en considérant un modèle non linéaire à six degrés de liberté et en réalisant conjointement une analyse de la stabilité. Plusieurs applications sont présentées : stabilisation autour d'un point fixe, suivi de trajectoire en présence ou non de perturbations, évitement d'obstacles. Lors de certaines utilisations pratiques ou expérimentales d'un drone miniature, les mesures en vitesses du véhicule ne sont pas toujours disponibles. Des techniques de commande avec accès partiel à l'état ou utilisant des observateurs peuvent être alors appliquées. Afin de concilier ces deux classes d'approches, et d'obtenir simultanément de bonnes performances du système bouclé et une réduction de la complexité de la méthode utilisée (temps de calcul, analyse de la stabilité), nous proposons ici une méthode de synthèse de lois de commandes via une analyse par fonctions de Lyapunov. Cette méthode est basée sur l'introduction d'états virtuels au sein de la dynamique du système. Notre contribution réside également dans l'analyse de la stabilité, par la théorie des perturbations singulières, d'une approche de commande hiérarchique permettant la synthèse successive des lois de commande en position et en attitude.

The design of control laws for miniature rotorcraft-based Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) is complex due to the nonlinearity of their dynamics and their high sentitivity to aerologic perturbations. In this thesis, two classes of controllers are investigated : model predictive controllers and partial state feedback controllers when the velocities of the vehicle are not measured. Some model predictive controllers have already been developed for miniature UAVs. However, control strategies with guaranteed stability have not been simultaneously considered with models which are representative enough of the dynamics of a miniature Vertical Take Off and Landing (VTOL) vehicle. In this study, several model predictive control algorithms are proposed as well as their application to the design of guidance and control laws for VTOL UAVs. Six degrees of freedom nonlinear models are considered and stability of the closed loop system is analyzed. Stabilisation around a fixed point, trajectory tracking as well as obstacle avoidance are addressed. In some experimental or practical uses of a miniature UAV, velocity measurements may not be available. Partial state feedback or observer-based control strategies can hence be applied. To realise a good trade-off between these two methods, and simultaneously obtain good performances for the closed loop system and decrease the complexity of the approach (computation delays, stability analysis), we propose a partial state feedback strategy based on the intoduction of virtual states in the system dynamics and on Lyapunov analysis. Our contribution also concerns stability analysis of a hierarchical controller, using singular perturbation theory.