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Th`ese de doctorat

Commande d"un drone en vue de la conversion

vol rapide - vol stationnaire

ISAE SUPAERO

ONERA DCSD

Damien Poinsot

Allocataire de recherche du minist`ere

Directeurs de th`ese :

Caroline B´erard & Alain Piquereau

Versions envoy´ees aux rapporteurs de la th`ese le :

V1: 09 Octobre 2008

V1 rev1: 31 Octobre 2008

Rapporteurs :

Yasmina Bestaoui

Rogelio Lozano

Table des mati`eres

1 Introduction G´en´erale 9

1.1 Enjeux et organisation de la th`ese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

´Etat de l"art 13

2.1 Les Drones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.1.1 D´efinitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.1.2 Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.2 Formules de VTOL-MAV existantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.2.1 Les cellules `a voilures tournantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.2.2 Les cellules convertibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.3 Pilotage et gestion de la transition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.3.1 le "T-wing" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.3.2 Exemple du "Autonomous UAV Aerobatics" . . . . . . . . . . . . . 30

3 G´en´eralit´es 33

3.1 Outils math´ematiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.1.2 Les syst`emes LTI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.1.3 Mod´elisation sous forme LFT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.1.4μ-analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.1.5 Rotation et quaternion d"attitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.2 Conventions et notations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.2.1 Rep`eres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.2.2 Conventions pour la commande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4 Mod´elisation - Simulation 47

4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.2 Pr´esentation du syst`eme support de l"´etude : VERTIGO . . . . . . . . . . 48

4.3 Mod´elisation non lin´eaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.3.2 Mod`ele analytique - ´equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

4.3.3 Mod´elisation du flux d"h´elice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4TABLE DES MATI`ERES

4.3.4 R´esolution de l"´equilibre longitudinal . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4.3.5 Coefficients a´erodynamiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

4.4 Simulateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

4.4.1 Architecture d"int´egration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

4.4.2 D´etail d"int´egration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

4.5 Mod´elisation pour la commande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

4.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

4.5.2 Mod`ele en vol vertical . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

4.5.3 Mod`ele en vol d"avancement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

4.6 Mod´elisation pour l"analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

4.6.1 Mise sous forme LFT du syst`eme longitudinal du VERTIGO - Ap-

proche simplifi´ee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

4.6.2 Pertinence de la forme LFT obtenue . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

4.6.3μ-analyse - application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

4.6.4 Abscisse spectrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

5 Synth`ese des lois de commande 93

5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

5.2 Structures de commande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

5.3 Commande en vol stationnaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

5.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

5.3.2 Structure de commande hi´erarchique . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

5.3.3 Synth`ese en vol stationnaire - Attitude . . . . . . . . . . . . . . . . 98

5.3.4 Synth`ese en vol stationnaire - Altitude . . . . . . . . . . . . . . . . 104

5.3.5 Simulation non lin´eaire - Cas de l"axe de tangage . . . . . . . . . . 105

5.3.6 Simulation non lin´eaire - Cas de l"axe de lacet . . . . . . . . . . . . 107

5.3.7 Simulation non lin´eaire - consignes coupl´ees tangage-lacet . . . . . . 107

5.3.8 Simulation non lin´eaire - consignes en vitesse d"avancement - axe de

tangage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

5.4 Commande en vol d"avancement - synth`ese . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

5.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

5.4.2 Synth`ese longitudinale en palier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

5.4.3 Synth`ese lat´erale en palier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

5.4.4 Synth`ese lin´eaire quadratique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

5.5 Mise en oeuvre des commandes de vol d"avancement . . . . . . . . . . . . . 124

5.5.1 Strat´egie de s´equencement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

5.5.2 D´etermination des gains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

5.5.3´Evolution des gains s´equenc´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

5.5.4 Remarques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

5.6 Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

5.6.1 Passage vol `a vitesse rapide vers vol `a vitesse lente . . . . . . . . . 132

5.6.2 Passage vol `a vitesse lente vers vol `a vitesse rapide . . . . . . . . . 134

6 Transitions et trajectoires optimales 137

6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

6.2 Transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

6.2.1 Principes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

6.2.2 Transition par commutation "Franche" . . . . . . . . . . . . . . . . 140

6.2.3 Transition "douce"par commutation lin´eaire . . . . . . . . . . . . . 145

6.2.4 Transition "douce"par commutation lin´eaire avec excitation lat´erale 150

6.3 Trajectoire optimale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

6.3.1 Tests Pr´eliminaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

6.3.2 Formalisation de la trajectoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

7 Syst`eme Embarqu´e - Essais en Vol 167

7.1 Syst`eme embarqu´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

7.1.1 Besoins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

7.1.2 Sch´ema fonctionnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

7.1.3 Caract´eristiques dimensionnelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

7.2 Logiciel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

7.2.1 G´en´erateur de difference angulaire, ADG . . . . . . . . . . . . . . . 172

7.2.2 Estimateur - fusion de donn´ees GPS et centrale inertielle . . . . . . 174

7.2.3 La navigation hybride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

7.3 Essais en Vol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

7.3.1 R´eglage de la stabilisation en altitude et attitude en indoor . . . . . 185

7.3.2 Donn´ees de vol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186

Conclusions et Perspectives 193

7.4 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193

7.5 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

6TABLE DES MATI`ERES

Notations

X t,Yt,Zt: Rep`ere terrestreRt X

0,Y0,Z0: Rep`ere inertielR0

X b,Yb,Zb: Rep`ere avion, application des forcesRb X a,Ya,Za: Rep`ere A´erodynamiqueRa X ar,Yar,Zar: Rep`ere A´erodynamique R´eel, avec prise en compte du flux d"h´eliceRar x,y,z: Positions (m), dansR0 u,v,w: Vitesses (m/s), dansRb u w,vw,ww: Vitesse du vent (m/s), dansRb p,q,r: Vitesses de rotation (rad/s), dansRb q0,q1,q2,q3 : Quaternion de position angulaire, dansR0 C A,CY,CZ: Coefficients a´erodynamiques de Force dansRb C x,C,y,Cz: Coefficients a´erodynamiques de Force dansRa C l,Cm,Cn: Coefficients a´erodynamique de Moment dansRa

A,B,C,E: Inerties, axeXb,Yb,Zbet crois´ee

φ,θ,ψ: Position angulaire, voir page 44

α: Incidence (rad) dansRa

a: Incidence r´eelle, avec prise en compte du flux d"h´elice (rad), dansRar

β: D´erapage (rad) dansRa

γ: Pente (rad) dansRa

FouT: Pouss´ee (N), dansXb

V a: Vitesse d"avancement (m/s), dansRa

ω: Survitesse h´elice (m/s), dansRb

V h: Vitesse d"avancement totale (m/s) avec prise en compte du flux d"h´elice, dansRar

Liste des publications

1 D. Poinsot, J. Lamaison, A. Hostallier, C. B´erard. Conception of an UAV generic

mission system. 25th International Congress of the Aeronautical Sciences. ICAS 2006.

2 D. Poinsot, A. Piquereau and C. B´erard. "Fixed wings MAV controlled by deflection

of airflow in a hover flight phase". European Micro Air Vehicles Conference, 2006.

3 B. Bataill´e, D. Poinsot, J.-M. Moschetta, C. B´erard, A. Piquereau, "Development of

a VTOL Mini UAV for Multi-Tasking Missions". International Powered Lift Confe-quotesdbs_dbs3.pdfusesText_6

[PDF] [PDF] Th`ese de doctorat ISAE SUPAERO ONERA DCSD Yasmina