[PDF] Ce document est le fruit dun long travail approuvé par le jury de

View - Download Ce document est le fruit dun long travail approuvé par le jury de

Previous PDF

Next PDF

AVERTISSEMENT

Ce document est le fruit d'un long travail approuvé par le jury de soutenance et mis à disposition de l'ensemble de la communauté universitaire élargie. Il est soumis à la propriété intellectuelle de l'auteur. Ceci implique une obligation de citation et de référencement lors de l'utilisation de ce document. D'autre part, toute contrefaçon, plagiat, reproduction illicite encourt une poursuite pénale.

Contact : ddoc-theses-contact@univ-lorraine.fr

LIENS Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 122. 4 Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 335.2- L 335.10 D"epartement de formation doctorale en automatique "Ecole doctorale IAEM Lorraine

UFR Sciences et Technologies

Mod"elisation, Observation et

Commande d"un Drone Miniature a

Birotor Coaxial

TH ESE pr"esent"ee et soutenue publiquement le 19 mars 2012 pour l"obtention du

Doctorat de l"Universit"e de Lorraine

(sp"ecialit"e automatique) par

Arnaud KOEHL

Composition du jury

Pr"esident :R. LOZANO Directeur de recherche, HEUDIASYC, UTC, Compiegne Rapporteurs :M. BASSET Professeur, MIPS, ENSISA, Universit"e de Haute-Alsace H. MOUNIER Professeur, LSS, Sup"elec, Universit"e Paris-Sud XI Examinateurs :M. BOUTAYEB Professeur, CRAN, Universit"e de Lorraine E. CR UCK Responsable adjoint Recherche et Innovation, DGA-DS-MRIS

B. MARTINEZ Chercheur, ISL-AES, Saint-Louis

H. RAFARALAHY Ma^tre de conf"erences, CRAN, Universit"e de LorraineCentre de Recherche en Automatique de Nancy | UMR 7039

Mis en page avec la classe thloria.

Remerciements

Le travail présenté dans ce mémoire a été effectué au sein de l"Institut franco-allemand de

Recherches de Saint-Louis (ISL) ainsi qu"au Centre de Recherche en Automatique de Nancy (CRAN CNRS UMR 7039), sous la direction de Monsieur Mohamed BOUTAYEB, Professeur à

l"Université de Lorraine, de Monsieur Hugues RAFARALAHY, Maître de conférences à l"Univer-

sité de Lorraine et de Monsieur Bastien MARTINEZ, Chercheur à l"ISL. Ce travail a été financé

par l"ISL dans le cadre du projet de l"Agence Nationale de la Recherche française " DEMONS- TRATEUR GLMAV », déposé sous le numéroANR 09 SECU 12.

Je tiens en premier lieu à remercier les différents directeurs de l"ISL qui m"ont autorisé à réali-

ser ce mémoire, à savoir Messieurs Alain PICQ, Michael WEIAND, Christian de VILLEMAGNE et Wolfgang FÖRSTER. Qu"ils reçoivent mes sincères remerciements pour cela. D"un point de vue hiérarchique, j"aimerais également remercier mes chefs de division et de groupe, Messieurs Dominique CHARGELEGUE et Friedrich LEOPOLD qui m"ont tous deux soutenu, chacun à sa manière dans ma démarche. Je tiens à remercier très vivement mon Directeur de thèse Monsieur Mohamed BOUTAYEB,

Professeur à l"Université de Lorraine, pour sa disponibilité et la grande confiance qu"il m"a ac-

cordée pour mener à bien mon travail de thèse. Je remercie également très chaleureusement mes

co-encadrants de thèse Monsieur Hugues RAFARALAHY, Maître de conférences à l"Université

de Lorraine et Monsieur Bastien MARTINEZ, chercheur à l"ISL, pour leurs conseils et leurs en-

couragements sans faille. Chacun d"eux a contribué, par son encadrement, à mon épanouissement

personnel au cours de ces trois années de thèse. Je tiens à leur exprimer toute ma reconnaissance

pour leurs patientes et rigoureuses directions. Leurs qualités, tant humaines que scientifiques furent également pour moi un apport inestimable. Je tiens à remercier les membres du jury qui me font l"honneur de participer à l"examen de

mon travail de thèse. Je suis très sensible à l"intérêt qu"ont bien voulu porter à ce travail Mon-

sieur Michel BASSET, Professeur à l"ENSISA - Université de Haute-Alsace et Monsieur Hugues

MOUNIER, Professeur à Supélec - Université Paris Sud XI. Je tiens à les remercier pour m"avoir

fait l"honneur d"être rapporteurs de ce mémoire. Je remercie également Monsieur Rogelio LO- ZANO, Directeur de recherche à l"HEUDIASYC - Université de Technologie de Compiègne ainsi que Madame Eva CRÜCK, responsable-adjoint du Domaine Scientifique à la DGA, pour avoir accepté de participer à mon jury et d"examiner mon travail de thèse. J"adresse un grand merci à tous les membres de l"équipe de Longwy du CRAN que j"ai eu le plaisir de côtoyer pendant la durée de ma thèse : Messieurs Michel ZASADZINSKI, Ali ZEMOUCHE, Harouna SOULEY-ALI, Cédric DELATTRE, Edouard RICHARD, Gaëtan DI- DIER, Christophe FONTE et Madame Latifa BOUTAT-BADDAS. Sans oublier les doctorants et post-doctorants Messieurs Mohamed BENALLOUCH, Adrien DROUOT, Bertrand GRAND- VALLET, Ibrahima N"DOYE, Mohamed ZERROUGI et Madame Lama HASSAN. Ils ont tous,

de près ou de loin, contribué, par les nombreuses discussions que nous avons pu tenir, leur conseils

ou leur bonne humeur, à l"excellent déroulement de ma thèse. Je tiens à remercier Madame Nathalie CLEMENT, secrétaire de l"équipe de Longwy du CRAN ainsi que Madame Joëlle PINELLI, secrétaire à l"Institut Universitaire de Technologie Henri Poincaré de Longwy, pour leurs soutiens, sans oublier Madame Allison BORDIER, pour i

leurs encouragements réguliers et les moments agréables passés ensemble ainsi que leur aide pré-

cieuse dans l"organisation de ma thèse. Je tiens également à remercier l"ensemble du personnel

de l"Institut Universitaire de Technologie Henri Poincaré de Longwy.

J"aimerais rendre un hommage mérité à tous les membres de l"ISL qui ont contribué, d"une ma-

nière ou d"une autre, au travail présenté dans ces pages. Je remercie tous les membres du groupe

AES (Aérodynamique en Ecoulement Supersonique) pour leur précieuse aide et leur conseil avisé :

Messieurs Denis BIDINO, Christophe DEMEAUTIS, Michel MEISTER, Dominique WILLME et particulièrement Monsieur Joseph JUNCKER avec qui j"ai cohabité si longtemps dans le bâ- timent H2, sans oublier Monsieur Serge GAISSER. Je tiens encore à remercier Messieurs Daniel KLATT, Thibaut GAUTHIER, Frédéric SOURGEN et Madame Frédérique JAGUSINSKI du groupe AES. Je remercie aussi Monsieur Philippe WERNERT, chef du groupe GNC (Guidage Navigation et Contrôle) ainsi que tous les membres du groupe pour leur implication dans mon tra- vail de thèse : Messieurs Spilios THEODOULIS, Sébastien CHANGEY, Emmanuel PECHEUR, Emmanuel ROUSSEL et Martin DEHAUT. Je remercie vivement Messieurs Patrick GNEMMI et Christian REY du groupe ATC (Aérodynamique et Tubes à Chocs), pour leurs bons conseils et leurs critiques encouragentes. Enfin, je remercie très chaleuresement Madame Laetitia WISS,

secrétaire de la Division II de l"ISL, pour ses si nombreux services rendus et sa grande sympathie.

J"ai une dernière pensée émue pour ma famille, en particulier mes parents qui me vouent une confiance et un amour inconditionnels et qui m"ont toujours soutenu dans ce que j"entreprenais. Je vous remercie et je vous serai éternellement reconnaissant. Je remercie beaucoup ma soeur pour son soutien et son humour complice. Je tiens à remercier de tout mon coeur mon grand- père maternel pour tout ce qu"il a accompli et tout ce qu"il m"a transmis.Tu trouveras dans ce

modeste travail le fruit de tes labeurs et de tes épreuves. Sache que je pense souvent à toi. Enfin le

meilleur pour la fin, je remercie ma douce et tendre compagne, Aurélie. Que ce travail soit pour

toi le témoignage de mon infinie reconnaissance pour ces années d"éloignement et de sacrifices.

Nos parents en sont témoins, et je les remercie encore pour tous ce qu"ils ont fait pour nous. La

route était longue et difficile Aurélie, mais notre amour n"en ressort que plus fort pour la suite...

ii

À mes parents,

À la mémoire de mes grands-parents.

"Dans un voyage, le plus long est d"arriver à la porte.»

Marcus Terentius Varro

a iii iv

Table des matières

Remerciementsi

Glossaireix

Table des figuresxiii

Avant-ProposxviiChapitre 1

Les drones : un état de l"art1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 Contexte et historique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3 L"hélicoptère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.4 Les principales architectures aéromécaniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.5 Les capteurs pour la navigation et la localisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

1.6 Systèmes de navigation et de localisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

1.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29Chapitre 2

Modélisation du GLMAV2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.2 Le concept GLMAV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.3 Les architectures aéromécaniques étudiées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.4 Synthèse du modèle à 6 degrés de liberté . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.5 Quelques notions de l"aérodynamique des voilures tournantes . . . . . . . . . . . 46

2.6 Modélisation aérodynamique avec plateau cyclique . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

2.7 Modélisation aérodynamique avec déflecteurs de flux . . . . . . . . . . . . . . . . 60

2.8 Particularités mécaniques et aérodynamiques du birotor coaxial . . . . . . . . . . 66

2.9 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

v

Table des matières

Chapitre 3

Identification expérimentale3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

3.2 Identification en robotique aérienne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

3.3 Processus expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

3.4 Identification linéaire du GLMAV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

3.5 Identification non linéaire du GLMAV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

3.6 Validation expérimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

3.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109Chapitre 4

Estimation de l"état du drone4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

4.2 Etat de l"art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

4.3 Estimation des perturbations aérodynamiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

4.4 Estimation de la vitesse linéaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

4.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139Chapitre 5

Commande stabilisante pour le GLMAV5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

5.2 Etat de l"art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

5.3 Linéarisation de la dynamique du vol quasi-stationnaire . . . . . . . . . . . . . . 150

5.4 Stratégie de commande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

5.5 Résultats de simulation numériques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

5.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

ConclusionAnnexe A

Rappels mathématiquesA.1 Généralités sur les matrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

A.2 Lemme de Barbalat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 A.3 Rappel sur la convexité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 A.4 Transformation LLFT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 A.5 Résolution de LMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 vi A.6 Lemme de Yakubovitch-Kalman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

A.7 Lemme borné réel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

A.8 Lemme d"inversion matricielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168Annexe BStabilité des systèmes dynamiques

B.1 Notions de stabilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

B.2 Méthode directe de Lyapunov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

Annexe C

Liste des publications personnelles

Bibliographie

vii

Table des matières

viii

Glossaire

Acronymes

6-DDL=6 Degrés De Liberté

ANR=Agence Nationale de la Recherche

BMI=Bilinear Matrix Inequality

BN=Broadband Noise

BVI=Blade-Vortex Interaction

CG=Centrale de Gravité

CI=Centrale Inertielle

DOBC=Disturbance Observer Based Control

DDL=Degrés De Liberté

DGA=Direction Générale de l"Armement

DGPS=Differential Global Positioning System

FK=Filtre de Kalman

FKE=Filtre de Kalman Etendu

FKE-FG=Filtre de Kalman à Fenêtre Glissante

FKEU=Filtre de Kalman Etendu Unscented

FKU=Filtre de Kalman Unscented

DGPS=Differential Global Positioning System

GLMAV=Gun Launched Micro Air Vehicle

GLMAV-4G=Gun Launched Micro Air Vehicle à 4 Gouvernes GLMAV-PC=Gun Launched Micro Air Vehicle à Plateau Cyclique

GPS=Global Positioning System

HALE=Haute Altitude Longue Endurance

HHC=Higher Harmonic Control

HSIN=High-Speed Impulsive Noise

IMU=Inertial Measurement Unit

INS=Inertial Navigation System

IRS=Inertial Reference System

ISL=Institut franco-allemand de Recherches de Saint-Louis

LQG=Linear Quadratic Gaussian

LQR=Linear Quadratic Regulator

LTI=Linear Time-Invariant

LTV=Linear Time-Variant

MALE=Moyenne Altitude Longue Endurance

MEMS=MicroElectroMechanical Systems

MIMO=Multiple Input Multiple Output

NASA=National Aeronautics and Space Administration ix

Glossaire

NOTAR=NO TAil Rotor

NSE=Never Speed Exceed

PI=Proportionnel Intégral

PID=Proportionnel Intégral Dérivé

SISO=Single Input Single Output

SLAM=Simultaneous Localization And Mapping

TUAV=Tactical Unmanned Aerial Vehicle

UAV=Unmanned Aerial vehicle

ULB=Ultra Large Bande

USI=Unités Standards Internationales

VAA=Véhicule Aérien Autonome

VTDP=Vectored Thrust Ducted Propeller

VTOL=Vertical Take-Off and Landing

Symboles & Notations

0 m n=Matrice nulle de dimensionsmn A

1=Matrice inverse de la matriceA

A +=Inverse généralisé de la matriceA(voir annexe (A.1)) A >=Matrice transposée de la matriceA kquotesdbs_dbs23.pdfusesText_29

[PDF] helicoptere pdf

[PDF] principe fonctionnement turbine helicoptere

[PDF] l'autonomie des élèves

[PDF] construire l'autonomie des élèves

[PDF] responsabiliser les élèves en maternelle

[PDF] responsabilisation définition

[PDF] autonomie des élèves au collège

[PDF] autonomie définition pédagogique

[PDF] autoportrait symbolique arts plastiques

[PDF] sujet d'art plastique 3eme autoportrait

[PDF] autoritratto van gogh

[PDF] buste de femme et autoportrait picasso 1929

[PDF] autoportrait van gogh dessin

[PDF] autoportrait au chevalet nussbaum

[PDF] autoportrait sans barbe van gogh