Effet des propriétés d'actionnement des véhicules aériens multi-rotors sur leurs capacités: accent sur la volabilité, la robustesse et le suivi de trajectoire

par Mahmoud Hamandi

Thèse de doctorat en Automatique et Robotique

Sous la direction de Antonio Franchi.

Thèses en préparation à Toulouse, INSA , dans le cadre de École doctorale Systèmes , en partenariat avec LAAS - Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (laboratoire) .


  • Résumé

    Le sujet principal de cette thèse est l'étude des propriétés d'actionnement des Véhicules Aériens (VA), et leurs force/moment réalisables et leurs capacités utiles qui en découlent. Le domaine de la robotique a connu une grande expansion au cours de la dernière décennie, avec un accent particulier sur les VA. Ces véhicules, qui étaient autrefois utilisés à des fins militaires, sont maintenant de plus en plus utilisés pour des tâches civiles telles que les courses de loisir, la photographie, la lutte contre les incendies, l'inspection et la surveillance, la recherche et le sauvetage et, plus récemment, la manipulation physique. Avec l'expansion des tâches assignées, de nouvelles conceptions ont commencé à émerger, tentant d'étendre les capacités de ces véhicules au-delà de ce qui était initialement possible avec des véhicules ailés. En tant que tels, de nouveaux véhicules ont commencé à émerger au-delà de la conception classique du quadrotor, où chaque groupe utilise une gamme de techniques pour étendre les capacités de la plate-forme, telles que l'inclinaison active des hélices en vol pour changer la direction de poussée de la plate-forme, l'inclinaison des hélices de la plate-forme pour obtenir un actionnement complet, ou encore optimiser le placement et l'orientation de l'hélice pour obtenir un vol omnidirectionnel. Avec la vaste littérature englobant différentes conceptions, il était inévitable que chaque groupe de conceptions suive une nomenclature et un cadre de conception spécialisés. Bien que cette approche ait contribué à l'avancement de ces conceptions, elle rend la comparaison des capacités de différentes conceptions une tâche difficile. De plus, alors que chaque conception est démontrée capable des tâches pour lesquelles elle a été conçue, il serait intéressant de définir un ensemble de capacités de base qui pourraient fournir une idée claire des applications possibles d'une plate-forme. Contrairement aux plates-formes à voilure fixe, les VA sont utilisés pour leur capacité à flotter sur place, c'est-à-dire à stabiliser leur position autour d'une po- sition souhaitée sur une période de temps. A partir de cette configuration, une plate-forme doit avoir la possibilité de se déplacer ensuite en suivant une trajec- toire souhaitée. Bien que ces deux capacités aient été discutées en profondeur dans la littérature de manière implicite et explicite, nous pensons que les conditions pour qu'une plate-forme flotte ont été discutées soit théoriquement, soit dérivées pour des plates-formes spécifiques. Cependant, un cadre numérique général permettant l'analyse de cette capacité n'a jamais été introduit. De même pour la capacité d'une plate-forme à voler de manière omnidirectionnelle : alors que le comportement souhaité d'une plate-forme omnidirectionnelle est intuitivement compris et que les conditions pour atteindre cette capacité ont été discutées dans la littérature, ces conditions ignorent généralement les limites d'actionnement de la plate-forme et nécessitent une analyse au cas par cas de la capacité de la plate-forme. D'un autre point de vue, les VA sont généralement équipés d'un ensemble de capteurs qui permettent à ces véhicules de détecter leur environnement et d'estimer leur état. Ces capteurs sont à l'origine de l'intelligence associée à ces plate-formes, et qui leur permet de naviguer de manière autonome. L'un de ces capteurs, devenu crucial pour les VA moderne, est l'Unité de Mesure Inertielle (UMI). Le UMI fournit des mesures d'accélération, de vitesse angulaire et éventuellement de magnétomètre. Ces mesures sont cruciales pour l'estimation de l'état de la plate-forme en vol intérieur ou extérieur. En plus de l'estimation d'état, de nouveaux techniques de contrôle ont émergé au cours des dernières années qui tentent de beneficier de la fréquence élevée de ces mesures pour piloter un quadrotor de manière robuste. Bien que ces contrôleurs aient permis aux quadrotors d'atteindre des performances intéressantes, ils reposent toujours sur des mesures à haute fréquence des vitesses des hélices et filtrent les mesures d'UMI avec des filtres moins qu'optimaux. En tant que tel, et suite à l'introduction ci-dessus, cette thèse tente de fournir une pléthore de contributions à la fois dans la perspective de conception et de contrôle des véhicules aériens multi-rotors comme suit : i) Modélisation : fournir une définition unifiée qui pourrait décrire tout véhicule aérien multi-rotors, en plus d'une définition formelle des capacités de base qui pourraient décrire les capacités de ces plates-formes. Passez en revue la majorité des conceptions de véhicules aériens multi-rotors de la littérature, tout en comparant les capacités d'actionnement et les capacités de chacun. ii) Méthodes numériques : introduire une méthode numérique pour analyser la capacité de flottage de n'importe quelle plate-forme, en plus d'une méthode numérique pour analyser la capacité omnidirectionnelle d'une plate-forme. iii) Design : un nouveau prototype omnidirectionnel avec le nombre minimale d'hélices unidirectionnelles et un hexarotor en forme de Y. iv) Trajectory tracking : analyse expérimentale de la capacité de suivi de trajectoire de plates-formes avec différentes capacités d'actionnement. v) UMI : introduction d'un nouveau filtre pour les mesures UMI, et utilisation de ces mesures filtrées dans un contrôleur de retour d'accélération direct. Chacune de ces contributions est couplée à des contributions mineures supplémentaires, laissées au lecteur curieux à trouver. Enfin, chacune des contributions théoriques présentées dans cette thèse est couplée à une vaste campagne expérimentale qui démontre les hypothèses énoncées.

  • Titre traduit

    Effect of Actuation Properties on the Abilities of Multi-Rotor Aerial Vehicles with Emphasis on Hoverability, Fail-safe Robustness, and Trajectory Tracking


  • Résumé

    This thesis focuses on the study of the actuation properties of Aerial Vehicles (AV)s, and their ensuing feasible wrench sets and useful abilities. The field of robotics has seen a large expansion over the last decade, with particular emphasis on AVs. These vehicles, that were once used for military purposes, are now more and more employed for civilian tasks such as hobby racing, photography, firefighting, inspection and surveillance, search and rescue, and more recently physical manipulation. With the expansion of the assigned tasks, new designs started emerging, attempting to expand the abilities and wrench capabilities of these vehicles beyond what was initially possible with winged vehicles. As such, new vehicles started emerging beyond the classical quadrotor design, where each group employs a range of techniques to expand the platform's abilities, such as actively tilting propellers while in flight to change the platform's thrust direction, tilting platform's propellers to achieve full actuation, or even optimizing the propeller's placement and orientation to achieve omnidirectional flight. With the vast literature encompassing different designs, it was inevitable that each group of designs follows a specialized nomenclature and design framework. While this approach helped the advancement of these designs, it renders the comparison of the capabilities of different designs a challenging task. Moreover, while each design is demonstrated capable of the tasks it was built for, it would be interesting to define a set of basic abilities that could provide a clear idea of a platform's possible applications. Unlike fixed wing platforms, AVs are used for their ability to hover in place, i.e., stabilize their position about a desired one over a period of time. From this configuration a platform should have the ability to then move around by following a desired trajectory. While these two abilities have been thoroughly discussed in the literature in an implicit and explicit way, we believe that the conditions for a platform to hover have been discussed either theoretically, or derived for specific platforms. However, a general numerical framework that allows the analysis of this ability was never introduced. Similarly for a platform's ability to fly in an omnidirectional way: while the desired behavior of an omnidirectional platform is intuitively understood, and the conditions to achieve this ability have been discussed in the literature, these conditions usually ignore the platform's actuation limits, and require a case by case analysis of the platform's ability. From another perspective, AVs are usually equipped with an array of sensors that allow these vehicles to sense their environment and estimate their state. These sensors are the source of the intelligence associated with these platforms, and which allows them to navigate autonomously. One of these sensors, that has become crucial for the modern AV, is the Inertial Measurement Unit (IMU). The IMU provides acceleration, angular velocity and possibly magnetometer measurements. These measurements are crucial for the state estimation of the platform when flying indoor or outdoor. In addition to state estimation, new control schemes emerged in the last few years that attempt to benefit from the high frequency of these measurements to fly a quadrotor robustly. While these controllers have allowed quadrotors to achieve interesting performances, they still rely on high frequency measurements of the propeller speeds, and filter the IMU measurements with less than optimal filters. As such, and following the above introduction,this thesis attempts to provide a plethora of contributions both in the design and control perspective of multi-rotor aerial vehicles as follows: i) Modeling: provide a unified definition that could describe any multi-rotor aerial vehicle, in addition to a formal definition of the basic abilities that could describe the capabilities of these platforms. Review the majority of multi-rotor aerial vehicle designs from the literature, while comparing the actuation capabilities and abilities of each. ii) Numerical methods: introduce a numerical method to analyze the hoverability of any platform, in addition to a numerical method to analyze the omnidirectional ability of a platform. iii) Design: a novel omnidirectional prototype with minimal uni-directional propellers, and a Y-shaped hexarotor. iv) Trajectory tracking: experimental analysis of the trajectory tracking ability of platforms with different actuation capabilities. v) IMU: introduction of a novel filter for IMU measurements, and the use of these filtered measurements in a direct acceleration feedback controller. Each of these contributions is coupled with additional minor contributions, left for the curious reader to find. Finally, each of the theoretical contributions presented in this thesis is coupled with an extensive experimental campaign that demonstrates the stated hypotheses.