Conception, modélisation et commande robuste de drones à rotors pivotants pour l’interaction aérienne autonome

Discipline

Sciences et ingénierie pour l’information

Classification

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres

Drones, UAV, Multirotor, Propulseurs pivotants, Contrôle, Commande Optimale, Commande basée sur le modèle, Commande robuste, Observation, Perturbations

Mots-clés

Drones - Commande automatique - Simulation, Méthodes de,

Robots autonomes - Innovation

Ce travail s'inscrit dans le cadre du projet régional qui a pour objectif de concevoir un drone échantillonneur polyvalent, capable à la fois de prélever des échantillons d'eau et d'embarquer divers capteurs pour effectuer des mesures physiques et chimiques sur site. Selon la nature de la tâche à accomplir, le drone doit être en mesure de maintenir une position stationnaire (par exemple, lors de la collecte d'un échantillon d'eau) ou de se déplacer en vol (par exemple, lors de mesures de température ou de pH). Au cours de cette thèse, nous avons développé un quadrirotor baptisé Xtilt, doté de propulseurs pivotants, lui permettant de combiner deux modes de vol, à savoir le vol stationnaire et le vol de croisière. Sur le plan scientifique, notre travail a consisté en une modélisation du Xtilt en utilisant le formalisme d'Euler-Lagrange, en prenant en compte les effets aérodynamiques, ainsi qu'une étude détaillée en mécanique des fluides computationnelle (CFD) du châssis du drone. Pour faire face aux perturbations internes et externes, nous avons proposé des lois de commande robustes, notamment la commande linéaire intégrale quadratique gaussienne à état étendu (ES-iLQG). Cette méthode comprend une amélioration de l'approche LQG intégrant un filtre de Kalman linéaire à état étendu (ES-LKF) pour l'estimation des perturbations et un régulateur intégral linéaire quadratique (iLQR). Nous avons également testé d'autres lois de commande robustes basées sur la commande prédictive MPC (Model Predictive Control), y compris l'intégral MPC et MPSMC. Ces approches visent à combiner à la fois des lois de commande robustes et optimales, en tenant compte des limitations du drone. Enfin, nous avons réalisé un prototype opérationnel capable de suivre des trajectoires en position et en vitesse. Le châssis a été conçu en CAO et fabriqué en impression 3D. Notre architecture système intègre les différentes lois de commande développées en langage C/C++ au sein de l'écosystème ROS sur calculateur embarqué. Des résultats expérimentaux prometteurs ont été obtenus lors de scénarios de suivi de trajectoire en présence de perturbations.