Quadricoptère Equipé d'Ailes à Effet Magnus : Vol Prolongé et Applications à l'Éolien Aéroporté Captif

Autonomous Magnus-based Winged Quadcopter System : For Prolonged Flight and Tethered Airborne Wind Energy Applications

• Auteur / Autrice : Zakeye Azaki
• Direction : Ahmad Hably, Nacim Meslem, Jonathan Dumon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique et productique
• Date : Soutenance le 13/12/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Grenoble Images parole signal automatique (2007-....)
• Jury : Président / Présidente : John Jairo Martinez Molina
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ionela Prodan, Hong Yue
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pedro Castillo-García, Lorenzo Fagiano

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie éolienne

Commande non linéaire

Commande prédictive

Drones

Mots clés libres

Énergie éolienne aéroportée

Effet Magnus

Commande non linéaire

Systèmes hybrides de drones

Drones captifs

Optimisation énergétique

Airborne wind energy

Magnus effect

Nonlinear control

Hybrid UAV systems

Tethered drones

Energy optimization

Résumé

Bien que les véhicules aériens multirotors autonomes ont révolutionné de nombreuses industries grâce à leur manœuvrabilité, ils ne sont pas dotés d'une effectuer des vols de longue endurance. Des avancées récentes ont permis de surmonter ces limitations avec des conceptions et stratégies de contrôle innovantes. Les drones hybrides visent à combiner les avantages des conceptions à voilure fixe et des systèmes VTOL, font face à des défis complexes liés aux dynamiques non linéaires et aux interactions aérodynamiques.Dans la littérature, les approches de contrôles robustes proposées pour ce type de systèmes hybrides reposent sur l'hypothèse que l'angle d'attaque est mesuré ou estimé avec une grande précision. L'un des objectifs de cette recherche doctorale est de faire progresser ce domaine afin d'augmenter l'autonomie des quadricoptères, permettant des temps de vol prolongés. Le travail se concentre sur la conception et l'analyse d'un système de quadricoptère à effet Magnus (MWQ), une approche novatrice exploitant des principes aérodynamiques pour améliorer les performances des véhicules aériens. Le système proposé comprend un quadricoptère assurant l'actionnement nécessaire pour les manœuvres de décollage et d'atterrissage verticaux, ainsi qu'un châssis équipé d'ailes à effets magnus, capable de générer des forces de portance aérodynamique à une vitesse de vol ou à une vitesse de vent externe suffisante. La première partie de ce travail consiste à établir et valider un modèle fiable de la dynamique et de aérodynamique du système,En considérant les vitesses de rotation des ailes à effet Magnus, il est possible de contrôler les forces de portance et de traînée produites, contrairement au profil aérodynamique classique qui dépendent de l'angle d'attaque. La stratégie de contrôle proposée repose sur un schéma d’allocation de contrôle en fonction de la vitesse de l’air, permettant ainsi au système de fonctionner sur une large gamme de vitesse de vol et de vent. Cette méthode à pour objectif de gérer intelligemment les contributions des forces produites par l’effet Magnus et les forces des rotors du quadricoptère, réduisant la poussée requise par le quadricoptère et, par conséquent, la consommation d'énergie. Les simulations et expérimentations en extérieur montrent une amélioration de l'efficacité énergétique et une endurance de vol prolongée.De plus, l'un des objectifs importants de ce travail est d'explorer l'avantage de l'utilisation du système MWQ dans le domaine de drones captifs, en particulier pour les éoliennes aéroportées. Les éoliennes aéroportées exploitent l'énergie du vent à des altitudes plus élevées en utilisant des dispositifs volants captifs, qui accèdent à des vents plus forts et plus constants que les éoliennes traditionnelles. Dans ces applications, le vol captif est un processus hautement non linéaire et incertain qui nécessite des approches de contrôle robustes pour pouvoir maîtriser son comportement dans des conditions extrêmes. Cette thèse aborde le problème du contrôle du système lors des phases de décollage et d'atterrissage verticaux dans des conditions de vent turbulent. Elle introduit et compare diverses stratégies de contrôle, notamment la linéarisation exacte par retour d'état combinée au contrôle proportionnel-intégral-dérivé (PID), contrôle par mode glissant, et au contrôle par mode glissant du seconde ordre, avec et sans compensation de perturbations par prédiction. De plus, la méthode d'allocation de contrôle proposée pour les drones non captifs est étendue au cas drones captifs, en incorporant une analyse de stabilité et des limitations opérationnelles sous différents niveaux de perturbations. Ces contrôleurs sont testés sur des simulateurs réalistes, expérimentalement en intérieur sur la plateforme de capture de mouvement du Gipsa-lab, ainsi que lors de tests en extérieur, montrant une performance robuste dans diverses conditions de vent.

While multirotor unmanned aerial vehicles have revolutionized various industries due to their excellent maneuverability, they lack the ability to perform long-endurance flights. Recent advancements have addressed these limitations through innovative design and control strategies. Hybrid UAVs aim to combinethe strengths of both fixed-wing and VTOL designs, yet they face significant challenges due to the complex nonlinear dynamics and aerodynamic interactions. One critical limitation in designing robust controllers for these hybrid systems is the accurate estimate or measurement of the angle of attack, which significantly impacts the aerodynamic forces and vehicle stability. One of the objectives of this thesis research is to advance this field to increase the autonomy of quadcopters, enabling extended flight times. The work focuses on designing and analyzing a Magnus-effect winged quadcopter (MWQ) system, a novel approach leveraging aerodynamic principles to enhance performance. The system comprises a quadcopter as an actuation necessary for vertical take-off and landing maneuvers and a Magnus-effect-based wing airframe with some sort of wing capable of generating aerodynamic lift forces at sufficient flight speed or external wind speed. The primary objective of the work is to model and/or validate the dynamics and aerodynamics of the system, contributing valuable insights to the optimal structural design in the sense of aerodynamic efficiency.Considering the rotational speed of the Magnus-effect-based wings as a control variable, one can control how much lift and drag are generated by the Magnus-effect-based wing, unlike the classical airfoil that requires adjustments based on the angle of attack to control the generated lift. The proposed control strategy for the MWQ system is developed as an airspeed-dependent nonlinear optimization control allocation scheme to operate the system at a wide range of relative airspeeds. This method efficiently distributes force contributions between the Magnus effect and the quadcopter’s rotors. This minimizes the required thrust from the quadcopter and the system’s energy consumption. The effectiveness of this approach is validated through comprehensive, realistic simulations and outdoor experiments, demonstrating enhanced energy efficiency and prolonged flight endurance.Additionally, one of the important objectives of this research is to explore the effectiveness of using the MWQ system in tethered UAV scenarios, particularly for airborne wind energy systems. Airborne wind energy systems harness wind energy at higher altitudes using tethered flying devices, which access stronger and more consistent winds than traditional wind turbines. In such applications, tethered flight is a highly nonlinear and uncertain process that requires robust control approaches to master its operation under extreme operating conditions. The present research focuses on the problem of controlling the system during the vertical take-off and landing phases in turbulent wind conditions. It introduces and compares various control strategies, including Feedback Linearization combined with Proportional–integral–derivative control, sliding mode control, or super twisting sliding mode control, with and without feedforward disturbance compensation. Moreover, the control allocation method for non-tethered systems is adapted for tethered scenarios, incorporating stability analysis and operational limitations under different disturbance levels. These controllers are rigorously tested in realistic simulations, indoor experiments in the experimental motion capture platform of Gipsa-lab, and outdoor tests, ensuring robust performance under diverse wind conditions.