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Conception, Modélisation Et Commande D"Un

Drone Convertible À Quatre Hélices Pivotantes Navigation Autonome D"Un Mini-Drone Par Vision Embarquée

Gerardo FLORES

Directeurs de thèse : Rogelio LOZANO

Séminaires ASER 2012

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Introduction

Il y a des missions dont la portée dépasse les capacités des drones conventionnelles car ils nécessitent non seulement la vitesse d"un avion, mais aussi de vol stationnaire. lLa surveillance des objectifs en mouvement rapide et statique. lIdentification des fissures dans les canalisations ou les ponts. lLes fournitures médicales.FIGURE:Le ELBIT SKYLARK et le CV-22.SéminairesASER 2012 2

Introduction

Quad-plane

Le véhicule combine les capacités du vol à haute vitesse d"un avion classique avec les capacités d"un hélicoptère en vol stationnaire grâce au pivotement des rotors.FIGURE:Modes d"opér ationdu Quad-plane.Séminaires ASER 2012 3

Sujets abordés

Les questions abordées au cours de la thèse

lObtenir le modèle de véhicule et de proposer un contrôleur pour le modehélicoptère et le mode avion.

lÉtudier la dynamique du véhicule en utilisant la théorie des perturbations singulières, également, développer une loi de commande à l"aide de cette théorie. lOn étudiera la phase transitoire du drone. A savoir, la réalisation de loi decommande

lDévelopper un système complet de drone convertible avec la possibilitéd"effectuer une tâche spécifique en utilisant la transition du vol.

lEstimer la position du drone en utilisant la vision.Séminaires ASER 2012 4 Plan lIntroduction lObjectifsde la thèse lEnoncé du problème lEstimation d"état pour le drone lCalcul d"états lorsque la route n"est pas détecté lStratégie de Commande lPlate-forme Expérimentale lExpériences en temps réel lConclusionsSéminairesASER 2012 5

Motivation

Commentpouvons-nous effectuer une mission de suivi de route?Enutilisant la combinaison de capteurs d"image, d"altitude et d"inertie. Faire face à des situations où il y a des défaillances dans le capteur d"image.

Changer entre différentes contrôleurs.

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Plan de la présentation

lIntroduction lObjectifsde la thèse lEnoncé du problème lEstimation d"état pour le drone lCalcul d"états lorsque la route n"est pas détecté lStratégie de Commande lPlate-forme Expérimentale lExpériences en temps réel lConclusionsSéminairesASER 2012 7

Enoncé de problème

Schéma de l"expérienceDescapteurs

Capteurd"inertie, capteur d"ultrasons,

caméra.Navigation basé sur la vision

Décollageautonome : altitudezd.

Estimation de l"angle de lacet .

La distanceeyest maintenu petit.

La vitesse d"avance

_xconstante.

Atterrissage autonome.Objectif

Suivreune route sans connaissance à priori sur celle-ci. Robuste aux perturbations externes c"est à dire lorsque l"image de la route est temporairement perdue.

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Plan de la présentation

lIntroduction lObjectifsde la thèse lEnoncé du problème lEstimation d"état pour le drone lCalcul d"états lorsque la route n"est pas détecté lStratégie de Commande lPlate-forme Expérimentale lExpériences en temps réel lConclusionsSéminairesASER 2012 9

Estimation d"état pour le drone

Détectionde route sur la base de la méthode de transformée de Houghx iI=xg+(sin()) ;yiI=yg+ cos()(1) x iF=xg(sin()) ;yiF=ygcos()(2)Deslignes pour une représentation unique x

I=xiIi

;yI=yiIi x

F=xiFi

;yF=yiFi (3)Calculd"angle de lacet r=arctan(yFyI;xFxI)(4) d= r+2 (5)SéminairesASER 2012 10

Estimation d"état pour le drone

Calculde la position latérale

e cx=xIxF2 +xF cw2 (6) c w:largeur de l'image (en pixels). Position latérale du drone par rapport à la route : e y=zecx x(7)Vitessesde translation Algorithme de ot optique : Le méthode de Lucas-Kanade combinée avec le détecteur de région Harris.

OFx=VOFx+KxVOFz+ROFx) zVOFx

x=_x(8)

OFy=VOFy+KyVOFz+ROFy)z

VOFy y=_y(9)SéminairesASER 2012 11

Plan de la présentation

lIntroduction lObjectifsde la thèse lEnoncé du problème lEstimation d"état pour le drone lCalcul d"états lorsque la route n"est pas détecté lStratégie de Commande lPlate-forme Expérimentale lExpériences en temps réel lConclusionsSéminairesASER 2012 12 Calcul d"angle de lacet et de la position latérale lorsque la route n"est pas détectéMesuresbasées sur le système de vision Sila route n"est pas sur le champ de vision (FOV) : l"estimation n"est pas possible.Ilfaut définir un signal binaires: [0;1)! f0;1gs(t):=

0 pas de détection de ligne à l"instantt

1 la caméra détecte la ligne à l"instantt(10)

la commutation entre deux modes, destiné à calculer les etats du véhicule.Desévénements temporels

T s0:le temps lorsque le signal binaire passes de 1 à 0. T s1: le temps lorsque le signal binaire passes de 0 à 1.SéminairesASER 2012 13 Calcul d"angle de lacet et de la position latérale lorsque la route n"est pas détectéCalculd"angle de lacet en utilisant la signal de commutation s(t) s(t)=s(t) d(t) + (1s(t)) IMU(Ts0)(11) d(t): angle de lacet mesuré par le système de vision. IMU(Ts0): angle de lacet mesuré par l'IMU àTs0.

s(t): angle de lacet désiré qui sera utilisé dans la loi de commande.L"équation (11) permet de commuter entre

lAnglede lacet obtenue du capteur d'image. lAngle de lacet obtenue du capteur inertielle lorsque le chemin n'est pas détecté par la caméra.

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14 Calcul d"angle de lacet et de la position latérale lorsque la route n"est pas détectéCalculde la position latérale en utilisant la signals(t)e ys(t)=s(t)ey(t) + (1s(t)) e y(Ts0) +Z Ts1 T s0_ y(t)d(t)! (12) e y(t): obtenue à partir du capteur d"image. e y(Ts0): mesure de la position latérale à l"instantTs0. _

y(t): vitesse latérale obtenue à partir du flot optique.L"équation (12) permet la commutation entre :

Laposition latérale obtenue lorsque le chemin est détecté par la caméra. Approche alternative en utilisant l"information du position à l"instantTs0et l"integration de la vitesse de translation _ypendant le temps dans laquelle le

chemin n"est pas détecté par l"algorithm de vision (le temps entreTs0etTs1).SéminairesASER 2012

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Plan de la présentation

lIntroduction lObjectifsde la thèse lEnoncé du problème lEstimation d"état pour le drone lCalcul d"états lorsque la route n"est pas détecté lStratégie de Commande lPlate-forme Expérimentale lExpériences en temps réel lConclusionsSéminairesASER 2012 16

Le modèle dynamique du drone

Lemodèle mathématique normalisé

x=u1(cossincos +sinsin ) y=u1(cossinsin sincos ) z=1u1(coscos) =u2=u3 =u4(13)Formed"espace d"état x 1=xz 1= x 2=_xz 2=_ x 3=yz 3= x 4=_yz 4=_ x 5=zz 5= x 6=_zz

6=_ (14)Enutilisant (13) et (14)

_ x1=x2_ z1=z2_x2=z1u1_ z2=u2_x3=x4_ z3=z4_x4=z3u1_ z4=u3_x5=x6_ z5=z6_x6=1u1_ z6=u4SéminairesASER 2012 17

La mission de la détection de route

Lesmodes de fonctionnement

Take-off mode :obtenir l"altitude désiréezd. y-alignment mode (yAL) :maintenir un trajet de vol alignée par rapport à la route. -alignment mode ( AL) :aligner l"angle de lacet par rapport à la direction de la route. Navigation mode :vol d"avancement à vitesse constante. Landing mode :le véhicule atterri de façon autonome.SéminairesASER 2012 18

La mission de la détection de route

Loisde commande dans chaque mode de fonctionneement L"ensemble du système est constitué de deux sous-systèmes, la dynamique de l"orientation et de la dynamique de position, avec une separation d"échelles de temps entre eux.Systèmede contrôle hiérarchique Lecommande de positionnement fournit les références pour les angles d"orientation ( d,det d), qui doivent être suivis par les contrôleurs d"orientation.

La dynamique d"erreur

~xi=xixidet~zi=zizid, aveci2 f1;:::;6g.SéminairesASER 2012 19

La mission de la détection de route

Loide commande pour la dynamique d"orientation

Commandepar mode de glissement intégrale (Integral sliding mode control

ISMC).

L"équation d"erreur d"angle de tangage :~1=11d. ) =_~1+2~1+2Z t

0~1()?(15)

1=u2eqKsign(")(16)

oùK>0.Loide commande pour la dynamique de position Mouvement surxy: Le vecteur de poussée doit être orientée vers le sens du déplacement souhaité.detd: contrôleurs virtuels pour la dynamique de position.

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