Tolérance aux fautes logicielles et matérielles pour un drone multi-rotor

Fault-tolerant control of a multirotor unmanned aerial vehicle under hardware and software failures

• Auteur / Autrice : Hussein Hamadi
• Direction : Isabelle Fantoni-Coichot, Clovis Francis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Technologies de l'Information et des Systèmes : Unité de recherche Heudyasic (UMR-7253)
• Date : Soutenance le 15/07/2020
• Etablissement(s) : Compiègne en cotutelle avec Université Libanaise
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Heuristique et Diagnostic des Systèmes Complexes [Compiègne] / Heudiasyc

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pression du vent

Actionneurs

Capteurs (technologie)

Kalman, Filtrage de

Fusion multicapteurs

Pannes

Commande en mode glissant

Tolérance aux fautes (ingénierie)

Commande automatique

Commande robuste

Rotors

Drones

Mots clés libres

Contrôleur robuste

Mode glissant

Fusion des données

Filtre de Kalman

Fautes matérielles et logicielles

Système de perception

Perturbations extérieures

Effets du vent

Robust control

Sliding mode

Data fusion

Kalman filter

Fault tolerance

Hardware and software faults

Perception system

External perturbation

Actuators

Automatic control

Sensors

Wind effects

Résumé

Le but de ce travail est de proposer des mécanismes pour les drones multirotors qui permettent d'une part de tolérer des fautes sur le drone, et d'autre part de prendre en compte les effets du vent en extérieur. Les fautes visées comportent des fautes d'actionneurs, de capteurs, mais également des fautes logicielles sur les algorithmes de fusion de données. Dans nos travaux, nous avons développé un contrôleur robuste et un observateur des perturbations extérieures capables de coopérer avec la méthode de reconfiguration des commandes, pour tolérer de façon simultanée les défaillances de moteurs et les perturbations extérieures du vent par des techniques de tolérance aux fautes active. Egalement, nous avons proposé une nouvelle technique de tolérance aux fautes des actionneurs pour un drone octorotor coaxial. Cette technique est basée sur une loi de commande robuste avec des gains reconfigurables "self tuning sliding mode control (STSMC)", où les gains de contrôle sont réajustés en fonction de l'erreur détectée afin de maintenir la stabilité du système. Des expériences à l'intérieur ont été menées pour montrer et comparer notre solution avec deux autres techniques de tolérances aux fautes. L'efficacité et le comportement de chaque méthode ont été étudiés après des injections de fautes successives dans les actionneurs. Les principaux avantages et inconvénients de chaque méthode sont déduits en analysant les résultats obtenus. En outre, nous proposons une approche pour la tolérance aux fautes des capteurs et mécanismes logiciels de fusion de données du drone. Cette approche est basée sur la redondance des capteurs et la diversification des composants logiciels.

The aim of this work is to propose mechanisms for multirotor drones that allow, on the one hand, to tolerate faults on the drone, and on the other hand to take into account the effects of the wind outdoors. The faults targeted include fault in actuators, sensors, but also software faults on the data fusion algorithms. ln our work, we have developed a robust controller and an exterior disturbance observer capable of cooperating with th, contrai reconfiguration method, to simultaneously tolerate motor failures and exterior wind disturbances through active fault tolerance techniques… We have also proposed a new technique for tolerating actuator faults for a coaxial octorotor drone. This technique is based on a robust command law with reconfigurable "self tuning sliding mode control (STSMC)" gains, where the control gains are readjusted according to the detected error in order to maintain the stability of the system. lndoor experiments are conducted to show and compare our solution with two other fault tolerance techniques. The efficiency and behavior of each method are studied after successive fault injections into the actuators. The main advantages and disadvantages of each method are deduced by analyzing the results obtained. Additionally, we provide an approach for fault tolerance of drone data fusion sensors and software mechanisms. This approach is based on the redundancy of sensors and the diversification of software components.