Avion convertible à décollage et atterrissage vertical

par Duc Anh Ta

Thèse de doctorat en Technologies de l'information et des systèmes

Sous la direction de Isabelle Fantoni-Coichot et de Rogelio Lozano-Leal.

Soutenue en 2011

à Compiègne .

mots clés

• Avions convertibles
• Quadrirotors
• Transition autonome
• Avion basculant tri-rotor
• Systèmes embarqués
• Drones
• Aéronefs à décollage vertical
• Quaternions
• Commande non linéaire
• Systèmes embarqués (informatique)

Résumé

Ce sujet de thèse s’inscrit dans le cadre des recherches visant à obtenir des véhicules aériens miniatures ayant à la fois les performances des avions pour le vol horizontal et la manœuvrabilité des hélicoptères pour le vol stationnaire. L’objectif est de développer, modéliser et commander un drone combinant la manœuvrabilité des véhicules à voilure tournante (hélicoptères) telle que l’avance lente, le décollage et l’atterrissage vertical, et les performances d’un véhicule à voilure fixe (avions) telle que l’avance rapide, la longue portée et une endurance supérieure. Ce type de recherche a suscité beaucoup d’intérêt dans le passé car ce type d’appareil ne nécessite pas de piste de décollage et sa capacité de vol stationnaire le rend très utile pour des missions de surveillance aérienne. L’objectif du sujet est en effet de concevoir et de réaliser des prototypes d’un système de drone pouvant effectuer des décollages/atterrissages verticaux de manière autonome, puis de réaliser une transition autonome vers un vol d’avancement rapide. Deux prototypes expérimentaux ont été développés au laboratoire : l’avion convertible et l’avion basculant tri-rotors. Les modèles dynamiques de chaque véhicule ont été obtenus en utilisant la méthodologie de Newton-Euler prenant en compte les forces et les couples aérodynamiques. Une loi de commande non linéaire pour la stabilisation en attitude et en position d’un corps rigide a été proposée. Elle est basée sur l’approche de commande bornée qui garantit la convergence du corps rigide vers une attitude et position désirées. Sa performance est aussi renforcée par l’algorithme de génération de trajectoire et les réseaux de neurones. La loi de commande est ensuite appliquée pour commander un quadrirotor, l’avion convertible et l’avion basculant tri-rotor. Pour l’avion convertible, la commande d’attitude a été adaptée en utilisant le formalisme des quaternions. Parallèlement, un simulateur a été développé, il permet de développer, d’exécuter et de tester le programme du prototype sur un ordinateur grâce à un modèle dynamique. Du côté expérimental, l’électronique embarquée a été conçu pour avoir un système embarqué de commande plus puissant et adaptable. La validation des lois de commande proposées a été réalisée sur la plate-forme expérimentale de l’avion convertible qui exécute les algorithmes en temps réel avec une bonne performance.

Titre traduit

Convertible vertical take-off and landing airplane

Résumé

The aim of the thesis is to develop, model and control a UAV combining the maneuverability of a rotary wing vehicle (helicopter) such as slow advance, takeoff and vertical landing, and the performance of a fixed wing vehicle (airplane) such as fast forward, long range and greater endurance. The objective of the subject is indeed to design and to build prototypes that can perform the autonomous vertical takeoff/landing and realize an autonomous transition to the fast forward flight. Two experimental prototypes were developed in the laboratory : the convertible airplane and the tilting tri-rotors airplane. Dynamic models of each vehicle were obtained by using the Newton-Euler method taking into account the aerodynamic forces and torques. A nonlinear control law for the stabilization in attitude and position of a rigid body has been proposed. Its performance is also enhanced by the algorithm of the trajectory generation and the neural network. The control law is then applied to control a quadrotor, the convertible airplane and the tilting tri-rotors airplane. For the convertible airplane, the attitude control was adjusted by the formalism of quaternions. On the experimental side, the embedded electronics has been designed in order to have an embedded system control more powerful and adaptable. The validation of the proposed control laws was performed on the experimental platform of the convertible aircraft running algorithms in real time with a good performance.