Planification et commande d'une plate-forme aéroportée stationnaire autonome dédiée à la surveillance des ouvrages d'art

Planning and control of an autonomous hovering airborne dedicated for the monitoring of structures

• Auteur / Autrice : Elie Kahale
• Direction : Yasmina Bestaoui Sebbane, Pedro Castillo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance le 21/03/2014
• Etablissement(s) : Evry-Val d'Essonne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie (Evry ; 2008-2015)
• Jury : Président / Présidente : Raja Chatila
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Krzyzstof Kozlowski, Jean Lerbet, Hélène Piet-Lahanier, François Derkx
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mohammed Chadli, Rogelio Lozano-Leal

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pilotes automatiques (avions)

Commande, Théorie de la

Liapounov, Fonctions de

Mots clés libres

Génération de trajectoire

Suivi de trajectoire

Trajectory generation

Trajectory tracking

Résumé

Aujourd'hui, l'inspection des ouvrages d'art est réalisée de façon visuelle par des contrôleurs sur l'ensemble de la structure. Cette procédure est couteuse et peut être particulièrement dangereuse pour les intervenants. Pour cela, le développement du système de vision embarquée sur des drones est privilégié ces jours-ci afin de faciliter l'accès aux zones dangereuses.Dans ce contexte, le travail de cette thèse porte sur l'obtention des méthodes originales permettant la planification, la génération des trajectoires de référence, et le suivi de ces trajectoires par une plate-forme aéroportée stationnaire autonome. Ces méthodes devront habiliter une automatisation du vol en présence de perturbations aérologiques ainsi que des obstacles. Dans ce cadre, nous nous sommes intéressés à deux types de véhicules aériens capable de vol stationnaire : le dirigeable et le quadri-rotors.Premièrement, la représentation mathématique du véhicule volant en présence du vent a été réalisée en se basant sur la deuxième loi de Newton. Deuxièmement, la problématique de génération de trajectoire en présence de vent a été étudiée : le problème de temps minimal est formulé, analysé analytiquement et résolu numériquement. Ensuite, une stratégie de planification de trajectoire basée sur les approches de recherche opérationnelle a été développée.Troisièmement, le problème de suivi de trajectoire a été abordé. Une loi de commande non-linéaire robuste basée sur l'analyse de Lyapunov a été proposée. En outre, un pilote automatique basée sur les fonctions de saturations pour un quadri-rotors a été développée.Les méthodes et algorithmes proposés dans cette thèse ont été validés par des simulations.

Today, the inspection of structures is carried out through visual assessments effected by qualified inspectors. This procedure is very expensive and can put the personal in dangerous situations. Consequently, the development of an unmanned aerial vehicle equipped with on-board vision systems is privileged nowadays in order to facilitate the access to unreachable zones.In this context, the main focus in the thesis is developing original methods to deal with planning, reference trajectories generation and tracking issues by a hovering airborne platform. These methods should allow an automation of the flight in the presence of air disturbances and obstacles. Within this framework, we are interested in two kinds of aerial vehicles with hovering capacity: airship and quad-rotors.Firstly, the mathematical representation of an aerial vehicle in the presence of wind has been realized using the second law of newton.Secondly, the question of trajectory generation in the presence of wind has been studied: the problem of minimal time was formulated, analyzed analytically and solved numerically. Then, a strategy of trajectory planning based on operational research approaches has been developed.Thirdly, the problem of trajectory tracking was carried out. A nonlinear robust control law based on Lyapunov analysis has been proposed. In addition, an autopilot based on saturation functions for quad-rotor crafts has been developed.All methods and algorithms proposed in this thesis have been validated through simulations.