Détails du sujet
• Conception et réalisation d’un drone Quadrirotor semi-autonome piloté par commande optimale, robuste et commande basée-énergie •
Résumé
Auteur : MUNAGA AMANI
Niveau: G3
Département: Genie Electrique
Année Ac: 2025-2026 , | 2026-02-19 18:59:46
Mots clés
Quadrirotor • Robotique mobile • Control • Aérodynamique • Port Hamiltonian
Intérêt
Ce sujet présente un intérêt pratique et scientifique :
Sur le plan pratique, ce projet de recherche pourrait résoudre des problèmes locaux plus ou moins urgents :
-La conception d’un quadrirotor dont le choix d’inclinaison (~assiette) est complètement délégué à une boucle de contrôle permettra d’optimiser la consommation d’énergie par l’appareil tout en éliminant les risques d’instabilité pouvant subvenir d’une mauvaise action d’un opérateur non expérimenté ; ce qui aura pour conséquence directe : l’augmentation du temps de travail d’un quadrirotor pour la même quantité d'Energie disponible, la démocratisation de l’utilisation des quadrirotors en éliminant la nécessité d’un certain niveau d’expertise pour l’opérer, une di munition raisonnable de l’effort requis pour opérer un quadrirotor.
-La conception d’un quadrirotor robuste face à des sollicitations extérieures non modélisées et certaines incertitudes et défauts liés au modèle pourra offrir à différents domaines d’application, un outil robuste à prix raisonnable, ce qui aura pour conséquence : encourager l’achat et l’utilisation des quadrirotors ainsi qu’augmenter le degré de confiance allouée à cet investissement
-La conception d’un quadrirotor pouvant décoller et atterrir de soi en temps normal ou en cas de défaut d’un actionneur rend élégante et donc agréable l’opération des quadritors tout en evitant des pertes de fond ou la paralysation d’un travail important liée au crache d’un quadrirotor qui a perdu un degré de liberté de plus. Et ceci évite à l’opérateur de devoir traiter avec l’effet du sol ground effect) au décollage et atterrissage
Sur le plan scientifique, ce projet contribuera en premier lien à l'enrichissement de l’état de l’art dans la commande des quadrirotors, en mettant en valeur les politique de commande orthodoxes (optimale, robuste, stochastique) tout en y ajoutant une dose d’une approche moins orthodoxe liée à l'Energie.
Ce travail se propose aussi de soulever certains défis ( atterrissage d’urgence, estimation des perturbations de la navigations comme des vecteurs de forces exogènes) et d’approcher le problème de contrôle d’un quadrirotor de la manière rigoureuse. Ainsi ce travail vise aussi à démocratiser certaines approches non orthodoxes dans la théorie de contrôle comme le formalisme port hamiltonien, des approches hybrides combinant angles d’Euler pour l’intuition physique qu’elles induisent et quaternions unités lors de l’implémentation evitant ainsi le blocage de cardan( glimbal lock), l’efficacité des lois de commande basée sur l’énergie du système, l’application des théories scientifiques plus ou moins avancées aux problèmes d’ingénierie ( quaternions, théorie des groupes,…), etc.
Problématique
Un “drone” est un robot mobile pouvant être aérien, terrestre ou sous-marin, naviguant ou roulant.[1] Les drones, qu’ils soient aériens ou sous-marins évoluent dans un espace euclidien 3D en prenant appuis sur le fluide environnant pour se propulser et se diriger[1]
Plus spécifiquement ici, par drone, on entend un mini véhicule aérien sans pilote (mini-UAV) rendu automatique à travers une boucle de contrôle.[1][2] C’est un dispositif muni d’une capacité à communiquer, à collecter les informations sur son état, environnement, sur la mission, etc.[2]
La pose d’un corps rigide est complètement définie par un élément de SE(3) [ groupe spécial euclidien en 3D] sous groupe de G(3) [groupe de Galilée en 3D] et sont tous de groupes de Lie ( groupe +variété). [1][3b][4b][6b][9b][16b][33b]
Un quadrirotor est un corps rigide pourvu de 4 rotors coplanaires, qui sont responsables de le génération des forces de portance et de poussée grâce au mouvement relatif entre le fluide et les pales des rotors. C’est un système sous actionné (propulseurs fixes) car pourvu de seulement 4 entrées de contrôle (3 moments et une force) pour 6 degrés de liberté.
Ce faisant, ces drones présentent une dynamique couplée, dans le sens où le contrôle des translations se fait par l’intermédiaire de changement d’attitude.
Tenant en compte le fait que la rotation des pales des rotors, de part le principe des actions réciproques de Newton, induit des couples exercés par l’air sur ces derniers [3 ][4 ], des forces de trainée de profil, de frottement et de la trainée induite[5], de la dynamique couplée, des forces exogènes de perturbations non maitrisable( le vent, les rafales, … ) et de la non linéarité de son modèle, on conviendrait que les systèmes à rotors et les quadrirotors en particulier sont des systèmes très complexes et se rendre compte que malgré les milliers de travaux leur consacrés, ils sont des systèmes très problématique et donc très loin d’être maitrisés.
Les quadritors sont, de par leur prix sur le marché, leur apparente pas trop complexe manœuvrabilité, leur capacité à effectuer un vol stationnaire (hovering) ou leur taille, considérés comme des appareils de premier choix pour multiples taches. De la photographie aérienne, Cartographie, l’agriculture dans l’inspection des grandes plantations, télédétection, dans le domaine de l’environnement ou climatologie à l’inspection des lignes électriques ou la surveillance, ils prennent de plus en plus de place. Cependant, bien que des modèles pas trop complexes et moins robustes sont disponibles à des prix raisonnables ; la recherche de la précision, des modèles puissants à prix abordables, demande urgemment une solution locale qui sache équilibrer entre robustesse, performance, optimisation de la consommation d’énergie et pourquoi pas, innovation.
Un modèle robuste et optimal en termes de consommation d’énergie permettrait par exemple de missions de très longues durées (photographie d’une scène de mariage entière ou inspection d’une plantation de grande superficie ou encore une surveillance prolongée) dans différentes conditions de navigation.
Les théories de la quantité de mouvement (MT; théorie du disque actuateur) et de la pale élémentaire (BET) complètent notre considération de l’aspect couplé de la dynamique du quadrirotor en nous apprenant que celui-ci, pour effectuer un mouvement de translation, doit départager la force résultante générée par les pales de rotors en une partie pour assurer la sustentation (Portance) et une autre pour propulser la plateforme (poussée).[3] [4]
Ceci soulève un ensemble de problèmes :
-Pour avancer, il faut changer d’attitude , donc avoir un angle de tangage et/ou roulis non nul(s) ;
-A même consommation d’énergie , la vitesse de la plateforme dépend de l’angle d’inclinaison de la plateforme ; une inclinaison maximale dirige le nécessaire de la force des rotors vers l’avant, favorisant une consommation minimale d'Energie pour avancer, mais pénalisant la force allouée à la sustention, ce qui peut faire perdre de la portance au quadrirotor, ainsi perdre l'équilibre et se cracher;
-Un grand angle d’inclinaison de la plateforme augmente la surface projetée de la plateforme face à l’écoulement relatif et sera donc responsable d’une augmentation de la trainée , ce qui va créer un besoin d’énergie pour vaincre ces forces
-L’inclinaison de la plateforme ne peut être arbitraire, au risque d’expérimenter le décrochage des pales.
-Une inclinaison trop petite dirige la plus grande partie de la force aérodynamique générée par les rotors à la sustentation et au mouvement vertical non souhaité et une partie insuffisante au déplacement horizontal de la plateforme, ce qui encore une fois, va demander une demande élevée d'Energie nécessaire pour avancer et réduit drastiquement la vitesse d’avancement horizontal.
De ce qui précède, on comprend que la l'amplitude de l’angle d’attaque est directement liée à la consommation d'Energie et à la stabilité même du quadrirotor. La modulation de cet angle ne doit donc pas être délégué à un opérateur, peu importe son niveau d’expertise, mais plutôt à une boucle de contrôle.
D’un autre coté, on a tous plus ou moins déjà expérimenté un quadrirotor qui perd d’équilibre et s’écrase à cause des instabilité inhérentes du système, des vecteurs de force exogènes non maitrisables comme les vents et les rafales ou à cause des paramètres du système ignorés ou négligés lors de la modélisation du système ( système non linéaire ayant été linéarisé et que l’on fait opérer loin du point d’équilibre correspondant.)
Ici, le risque est de perdre l’argent investit dans l’achat de l’appareil voire être dans l’incapacité de faire son travail à cause d’un appareil défectueux qui n’a pas su être robuste face aux sollicitations extérieures ( exemple d’un cartographe très loin dans les montagnes)
Ainsi on soulève un problème encore capital ; qui est celui de fournir, à cout raisonnable, un appareil robuste aux sollicitations extérieures, en lui dotant de la capacité d’estimer et réagir face aux sollicitations exogènes, d’une intensité raisonnable, comme l’action d’un vent sur la plateforme ou des petites rafales verticales nocives à la stabilité du quadrirotor.
Enfin, dans l’esprit innovatif de l’ingénierie et toujours prêt à relever des défis plus ou moins complexes et surtout ancré sur le fait que certaines phases critiques de l’opération du drone doivent être autonomes; nous nous sommes proposé de synthetiser et implémenter une loi de contrôle naturelle devant s’occuper de la phase de décollage et de l’atterrissage normal ainsi que l'atterrissage d’urgence de l’UAV.
Effet, une idée intuitive pour nous d’une part et inspirée par la thèse de Vincent Duindam sur les robots bipèdes contrôlés par Port, est de synthétiser et implémenter une loi de contrôle qui assure un décollage économique en Energie, qui traite de l’atterrissage comme d’une chute libre contrôlée et d’un atterrissage d’urgence en cas du défaut d’un actionneur
pour ce faire, nous nous sommes posés la question :
1.Comment résoudre le problème liée à un bon choix de l’angle d’inclinaison du drone vis à vis de l’écoulement relatif de l’air tenant en comptes les en jeu qui sont l’énergie fournie, une répartition optimale de la force générée en portance et poussée, l’incidence de décrochage de pales ?
2.Comment concevoir un quadrirotor piloté par un contrôleur lui permettant d’estimer et de réagir efficacement contre des sollicitations exogènes raisonnables et rester robuste malgré quelques incertitudes liées au modèle, à l’environnement ?
3. Comment agir sur l'Energie du système pour assurer un décollage économique, un atterrissage en chute libre contrôlée et un atterrissage d’urgence en cas de défaut d’un actionneur malgré la dynamique complexe du Quadrirotor ? Plan provisoire
Chap. 0 : Introduction générale
Chap1 : Conception 3D et détermination des caractéristiques aérodynamiques et physiques du quadrirotor
Chap2 : Modélisation dynamique et analyse du quadrirotor
Formalisme de Newton-Euler
Formalisme de D’Alembert-Lagrange
Formalisme port Hamiltonien
Stabilité, commandabilité et observabilité du système
Chap3 : Synthèse, implémentation et validation des lois de Contrôle
Commande optimale
Commande robuste
Commande basée-énergie
Chap4 : Réalisation pratique du Prototype
Chap5 : Interprétation des résultats, conclusion et perspectifs d’avenir
Hypothèses
Le cadre du sujet bien établi, nos différentes hypothèses de recherche coulent naturellement :
1.L’asservissement de l’angle d’inclinaison de la plateforme peut être formalisé comme un problème de contrôle optimal avec comme fonction de cout l’énergie associée à chaque configuration, sous contraintes d’une augmentation limitée de la trainée, d’une répartition équilibrée de la force aérodynamique résultante en efforts de sustentation et de poussée horizontale et de l’incidence de décrochage des pales.
2.Les incertitude non structurées et paramétriques peuvent être bornées par certaines valeurs puis prises en compte dans le modèle et des perturbations extérieures raisonnables dues à l’environnement( vent) peuvent être estimés par un observateur d’état, interprétés comme des vecteurs de force exogènes et être compensées par une action de contrôle.
3. Le quadrirotor peut efficacement être modélisé comme un système port Hamiltonien en contact avec l’environnement à travers les actionneurs, ports par lesquels on peut agir sur l'Energie du système, permettant de redéfinir des points d’atterrissage comme de points d’énergie minimum vers lesquels on amène le système naturellement selon une trajectoire voulue. Méthodes
Différentes méthodes sont envisagées tout au long de ce travail pour pouvoir atteindre les objectifs en vue.
Nous allons privilégier les méthodes analytique et expérimentales ; que nous allons essayer d’énumérer sous formes d’étapes successives et cohérentes.
1.Etape : Conception assistée par ordinateur
On va concevoir un modèle 3D de toute la plateforme grâce aux outils de conception 3D ( SolidWorks, Fusion 360,…)
Déterminer les caractéristiques importantes comme la masse idéale voulue( valeur théorique de référence ) , le tenseur d’inertie, …
2.Mécanique de fluide computationnelle( soufflerie numérique)
On va importer le modèle 3D dans un logiciel de CFD pour déterminer les différentes caractéristiques et coefficients aérodynamique ( coefficients de trainée, de portance, caractéristiques des hélices, coefficient de portance locale des pales,…) qui sont des données capitale pour la formulation du problème de control
3.Modélisation de la dynamique du système.
On va se servir des différents formalismes(Newton, Lagrange, Hamilton) pour établir clairement le modèle dynamique du quadrirotor et tirer avantage de chaque formalisme pour résoudre un problème spécifique avenir ou pour profiter de l’interprétation physique de chaque formalisme dans l’aboutissement de la recherche. On va aussi étudier la stabilité( Lyapunov) et la commandabilité/Observabilité du système( Kalman,…)
4.Synthèse et implémentation des lois de contrôles
Ici nous allons nous servir du modèle déjà établi pour synthétiser les lois de contrôle et simuler leur fonctionnement grâce aux outils de simulation comme Matlab-Simulink et ROS /GAZEBO
5.Réalisation pratique du prototype et et interprétation des résultats.
Bibliographie
Bibliographie|a
[1] Luc Jaulin, ENSTA Brétagne, ‘ Géometrie et Commande des drones’.
[2] Reg Austin, ‘Unmanned Aircraft Systems’, Aerospace Series
[3] W.Z Stepniewski, ‘Introduction to Helicopter Aerodynamics’
[4] Boeing Vertol Company, NASA, ‘ Rotary-Wing Aerdynamics’
[5] J.CHAFFOIS, ingenieur militaire de l’air, ‘Elements d’aerodynamique’
Bibliographie|b
1.A Jeanneret & Daniel Lines, " INVITATION A L'ALGEBRE", Cepadues
2.Alexandre Girard, "ROBOTIQUE: MODELISATION, ANALYSE ET COMMANDE", Université de Scherbrooke
3.Andrew Baker, " Matrix Lie Groups: An introduction to Lie Group Theory", Springer
4.Arjan Van der Schaft & Dimitri Jeltsema, "Port-Hamiltonian Systems Theory: an introduction overview", Gottigen
5.Carlos Canudas de Wit, Bruno Siliciano & Gerge Bastin, “Theory of Robot Control”, Springer
6.Darryl Holm, Imperial College London, ‘ Geometric Mechanics, part II: Rotating, Translating and Rolling’
7.El-Bachir Yallaoui, "Topologie Générale Elementaire", Université Ferhat Abbas, Sétif 1
8.Emmanuel Trélat, “Control Optimal: Théorie et Application"
9.Ernesto Olguin Diaz, " 3D Motion of Rigid Bodies: A foundation for Robot Dynamics Analysis", Springer
10.Franco Blanchini, "SYSTEMS AND CONTROL THEORY"
11.G. Cai, B. Chen & T.H Lee, "Unmanned Rotorcraft Systems", Springer
12.Gregoire ALLAIRE & Alexandre ERN , "OPTIMISATION ET CONTRÔLE", Ecole Polytechnique
13.Hans P. Geering, "Optimal Control with Engineering Applications"
14.J.R. Noris, " Markov Chains", Cambridges Series in statistical and Probabilistic Mathematics
15.Johannes Stephan, " Multicopter Flight Control", Springer
16.John Stillwell, "Naïve Lie Theory", Springer
17.Lionel Birglen, "Mécatronique", Dunod
18.Mark D. Ardema, " Analytical Dynamics: Theory and Applications", Santa Clara University, California
19.Mark Levi, "Classical Mechanics With Calculus of Variations and Optimal Control'
20.Mark W.Spong, Seth Hutchinson & M.Vidyasagar, "Robot Dynamics and Control"
21.Mich-Ching Tsai & Da-Wei Gu, “Robust and Optimal Control”; Springer
22.N.G. Chetaev, " THEORETICAL MECHANICS", Mir Publishers Moscow
23.Nicolas Petit & Pierre ROUCHON, "Automatique: Dynamique et Contrôle des Systèmes", CAS, MINES ParisTech
24.Olivier Castera, " Mecanique Analytique'
25.Pierre APKARIAN, "ELEMENTS DE LA THEORIE DE LA COMMANDE ROBUSTE"
26.R. Ortega, A. Loria, P.J Nicklasson& H. Sira-Ramirez, "Passivity-based control of Euler-Lagrange Systems", Springer
27.R. Ortega, J.G Romero, P. Borja& A.Donaire, "PID PASSIVITY-BASED CONTROL OF NONLINEAR SYSTEMS WITH APPLICATIONS", WILEY, IEEE PRESS
28.R.Beard & T. MacLAIN, " SMALL UNMANNED AIRCRAFT", PRINCETON UNIVERSITY PRESS
29.René Caldentey, " DYNAMIC PROGRAMMING WITH APPLICATIONS", New York University
30.Robotic Systems Lab, ETH Zurich, "Robot Dynamics Lecture Notes"
31.TIMOTHY D. BARFOOT , " STATE ESTIMATION FOR ROBOTICS"
32.Ursula Porod, "Dynamics of Markov Chains for Undergraduates'
33.Vincent Duindam, " Port-Based Modeling and Control for Efficient Bipedal Walking Robots", phD thesis
34.Yves Granjon, "Automatique", Dunod
35. etc.
Directeur & Encadreur
Directeur: BARAKA Olivier MUSHAGE
Encadreur: IRENGE Raoul BAGUMA
Status
Décision ou observation:
Feu vert:
Déposé : NON
Défendu: NON
Finalisé: NON
• Conception et réalisation d’un drone Quadrirotor semi-autonome piloté par commande optimale, robuste et commande basée-énergie •
Résumé
Auteur : MUNAGA AMANI
Niveau: G3
Département: Genie Electrique
Année Ac: 2025-2026 , | 2026-02-19 18:59:46
Mots clés
Quadrirotor • Robotique mobile • Control • Aérodynamique • Port HamiltonianIntérêt
Ce sujet présente un intérêt pratique et scientifique :Sur le plan pratique, ce projet de recherche pourrait résoudre des problèmes locaux plus ou moins urgents :
-La conception d’un quadrirotor dont le choix d’inclinaison (~assiette) est complètement délégué à une boucle de contrôle permettra d’optimiser la consommation d’énergie par l’appareil tout en éliminant les risques d’instabilité pouvant subvenir d’une mauvaise action d’un opérateur non expérimenté ; ce qui aura pour conséquence directe : l’augmentation du temps de travail d’un quadrirotor pour la même quantité d'Energie disponible, la démocratisation de l’utilisation des quadrirotors en éliminant la nécessité d’un certain niveau d’expertise pour l’opérer, une di munition raisonnable de l’effort requis pour opérer un quadrirotor.
-La conception d’un quadrirotor robuste face à des sollicitations extérieures non modélisées et certaines incertitudes et défauts liés au modèle pourra offrir à différents domaines d’application, un outil robuste à prix raisonnable, ce qui aura pour conséquence : encourager l’achat et l’utilisation des quadrirotors ainsi qu’augmenter le degré de confiance allouée à cet investissement
-La conception d’un quadrirotor pouvant décoller et atterrir de soi en temps normal ou en cas de défaut d’un actionneur rend élégante et donc agréable l’opération des quadritors tout en evitant des pertes de fond ou la paralysation d’un travail important liée au crache d’un quadrirotor qui a perdu un degré de liberté de plus. Et ceci évite à l’opérateur de devoir traiter avec l’effet du sol ground effect) au décollage et atterrissage
Sur le plan scientifique, ce projet contribuera en premier lien à l'enrichissement de l’état de l’art dans la commande des quadrirotors, en mettant en valeur les politique de commande orthodoxes (optimale, robuste, stochastique) tout en y ajoutant une dose d’une approche moins orthodoxe liée à l'Energie.
Ce travail se propose aussi de soulever certains défis ( atterrissage d’urgence, estimation des perturbations de la navigations comme des vecteurs de forces exogènes) et d’approcher le problème de contrôle d’un quadrirotor de la manière rigoureuse. Ainsi ce travail vise aussi à démocratiser certaines approches non orthodoxes dans la théorie de contrôle comme le formalisme port hamiltonien, des approches hybrides combinant angles d’Euler pour l’intuition physique qu’elles induisent et quaternions unités lors de l’implémentation evitant ainsi le blocage de cardan( glimbal lock), l’efficacité des lois de commande basée sur l’énergie du système, l’application des théories scientifiques plus ou moins avancées aux problèmes d’ingénierie ( quaternions, théorie des groupes,…), etc.
Problématique
Un “drone” est un robot mobile pouvant être aérien, terrestre ou sous-marin, naviguant ou roulant.[1] Les drones, qu’ils soient aériens ou sous-marins évoluent dans un espace euclidien 3D en prenant appuis sur le fluide environnant pour se propulser et se diriger[1]Plus spécifiquement ici, par drone, on entend un mini véhicule aérien sans pilote (mini-UAV) rendu automatique à travers une boucle de contrôle.[1][2] C’est un dispositif muni d’une capacité à communiquer, à collecter les informations sur son état, environnement, sur la mission, etc.[2]
La pose d’un corps rigide est complètement définie par un élément de SE(3) [ groupe spécial euclidien en 3D] sous groupe de G(3) [groupe de Galilée en 3D] et sont tous de groupes de Lie ( groupe +variété). [1][3b][4b][6b][9b][16b][33b]
Un quadrirotor est un corps rigide pourvu de 4 rotors coplanaires, qui sont responsables de le génération des forces de portance et de poussée grâce au mouvement relatif entre le fluide et les pales des rotors. C’est un système sous actionné (propulseurs fixes) car pourvu de seulement 4 entrées de contrôle (3 moments et une force) pour 6 degrés de liberté.
Ce faisant, ces drones présentent une dynamique couplée, dans le sens où le contrôle des translations se fait par l’intermédiaire de changement d’attitude.
Tenant en compte le fait que la rotation des pales des rotors, de part le principe des actions réciproques de Newton, induit des couples exercés par l’air sur ces derniers [3 ][4 ], des forces de trainée de profil, de frottement et de la trainée induite[5], de la dynamique couplée, des forces exogènes de perturbations non maitrisable( le vent, les rafales, … ) et de la non linéarité de son modèle, on conviendrait que les systèmes à rotors et les quadrirotors en particulier sont des systèmes très complexes et se rendre compte que malgré les milliers de travaux leur consacrés, ils sont des systèmes très problématique et donc très loin d’être maitrisés.
Les quadritors sont, de par leur prix sur le marché, leur apparente pas trop complexe manœuvrabilité, leur capacité à effectuer un vol stationnaire (hovering) ou leur taille, considérés comme des appareils de premier choix pour multiples taches. De la photographie aérienne, Cartographie, l’agriculture dans l’inspection des grandes plantations, télédétection, dans le domaine de l’environnement ou climatologie à l’inspection des lignes électriques ou la surveillance, ils prennent de plus en plus de place. Cependant, bien que des modèles pas trop complexes et moins robustes sont disponibles à des prix raisonnables ; la recherche de la précision, des modèles puissants à prix abordables, demande urgemment une solution locale qui sache équilibrer entre robustesse, performance, optimisation de la consommation d’énergie et pourquoi pas, innovation.
Un modèle robuste et optimal en termes de consommation d’énergie permettrait par exemple de missions de très longues durées (photographie d’une scène de mariage entière ou inspection d’une plantation de grande superficie ou encore une surveillance prolongée) dans différentes conditions de navigation.
Les théories de la quantité de mouvement (MT; théorie du disque actuateur) et de la pale élémentaire (BET) complètent notre considération de l’aspect couplé de la dynamique du quadrirotor en nous apprenant que celui-ci, pour effectuer un mouvement de translation, doit départager la force résultante générée par les pales de rotors en une partie pour assurer la sustentation (Portance) et une autre pour propulser la plateforme (poussée).[3] [4]
Ceci soulève un ensemble de problèmes :
-Pour avancer, il faut changer d’attitude , donc avoir un angle de tangage et/ou roulis non nul(s) ;
-A même consommation d’énergie , la vitesse de la plateforme dépend de l’angle d’inclinaison de la plateforme ; une inclinaison maximale dirige le nécessaire de la force des rotors vers l’avant, favorisant une consommation minimale d'Energie pour avancer, mais pénalisant la force allouée à la sustention, ce qui peut faire perdre de la portance au quadrirotor, ainsi perdre l'équilibre et se cracher;
-Un grand angle d’inclinaison de la plateforme augmente la surface projetée de la plateforme face à l’écoulement relatif et sera donc responsable d’une augmentation de la trainée , ce qui va créer un besoin d’énergie pour vaincre ces forces
-L’inclinaison de la plateforme ne peut être arbitraire, au risque d’expérimenter le décrochage des pales.
-Une inclinaison trop petite dirige la plus grande partie de la force aérodynamique générée par les rotors à la sustentation et au mouvement vertical non souhaité et une partie insuffisante au déplacement horizontal de la plateforme, ce qui encore une fois, va demander une demande élevée d'Energie nécessaire pour avancer et réduit drastiquement la vitesse d’avancement horizontal.
De ce qui précède, on comprend que la l'amplitude de l’angle d’attaque est directement liée à la consommation d'Energie et à la stabilité même du quadrirotor. La modulation de cet angle ne doit donc pas être délégué à un opérateur, peu importe son niveau d’expertise, mais plutôt à une boucle de contrôle.
D’un autre coté, on a tous plus ou moins déjà expérimenté un quadrirotor qui perd d’équilibre et s’écrase à cause des instabilité inhérentes du système, des vecteurs de force exogènes non maitrisables comme les vents et les rafales ou à cause des paramètres du système ignorés ou négligés lors de la modélisation du système ( système non linéaire ayant été linéarisé et que l’on fait opérer loin du point d’équilibre correspondant.)
Ici, le risque est de perdre l’argent investit dans l’achat de l’appareil voire être dans l’incapacité de faire son travail à cause d’un appareil défectueux qui n’a pas su être robuste face aux sollicitations extérieures ( exemple d’un cartographe très loin dans les montagnes)
Ainsi on soulève un problème encore capital ; qui est celui de fournir, à cout raisonnable, un appareil robuste aux sollicitations extérieures, en lui dotant de la capacité d’estimer et réagir face aux sollicitations exogènes, d’une intensité raisonnable, comme l’action d’un vent sur la plateforme ou des petites rafales verticales nocives à la stabilité du quadrirotor.
Enfin, dans l’esprit innovatif de l’ingénierie et toujours prêt à relever des défis plus ou moins complexes et surtout ancré sur le fait que certaines phases critiques de l’opération du drone doivent être autonomes; nous nous sommes proposé de synthetiser et implémenter une loi de contrôle naturelle devant s’occuper de la phase de décollage et de l’atterrissage normal ainsi que l'atterrissage d’urgence de l’UAV.
Effet, une idée intuitive pour nous d’une part et inspirée par la thèse de Vincent Duindam sur les robots bipèdes contrôlés par Port, est de synthétiser et implémenter une loi de contrôle qui assure un décollage économique en Energie, qui traite de l’atterrissage comme d’une chute libre contrôlée et d’un atterrissage d’urgence en cas du défaut d’un actionneur
pour ce faire, nous nous sommes posés la question :
1.Comment résoudre le problème liée à un bon choix de l’angle d’inclinaison du drone vis à vis de l’écoulement relatif de l’air tenant en comptes les en jeu qui sont l’énergie fournie, une répartition optimale de la force générée en portance et poussée, l’incidence de décrochage de pales ?
2.Comment concevoir un quadrirotor piloté par un contrôleur lui permettant d’estimer et de réagir efficacement contre des sollicitations exogènes raisonnables et rester robuste malgré quelques incertitudes liées au modèle, à l’environnement ?
3. Comment agir sur l'Energie du système pour assurer un décollage économique, un atterrissage en chute libre contrôlée et un atterrissage d’urgence en cas de défaut d’un actionneur malgré la dynamique complexe du Quadrirotor ?
Plan provisoire
Chap. 0 : Introduction générale
Chap1 : Conception 3D et détermination des caractéristiques aérodynamiques et physiques du quadrirotor
Chap2 : Modélisation dynamique et analyse du quadrirotor
Formalisme de Newton-Euler
Formalisme de D’Alembert-Lagrange
Formalisme port Hamiltonien
Stabilité, commandabilité et observabilité du système
Chap3 : Synthèse, implémentation et validation des lois de Contrôle
Commande optimale
Commande robuste
Commande basée-énergie
Chap4 : Réalisation pratique du Prototype
Chap5 : Interprétation des résultats, conclusion et perspectifs d’avenir
Hypothèses
Le cadre du sujet bien établi, nos différentes hypothèses de recherche coulent naturellement :1.L’asservissement de l’angle d’inclinaison de la plateforme peut être formalisé comme un problème de contrôle optimal avec comme fonction de cout l’énergie associée à chaque configuration, sous contraintes d’une augmentation limitée de la trainée, d’une répartition équilibrée de la force aérodynamique résultante en efforts de sustentation et de poussée horizontale et de l’incidence de décrochage des pales.
2.Les incertitude non structurées et paramétriques peuvent être bornées par certaines valeurs puis prises en compte dans le modèle et des perturbations extérieures raisonnables dues à l’environnement( vent) peuvent être estimés par un observateur d’état, interprétés comme des vecteurs de force exogènes et être compensées par une action de contrôle.
3. Le quadrirotor peut efficacement être modélisé comme un système port Hamiltonien en contact avec l’environnement à travers les actionneurs, ports par lesquels on peut agir sur l'Energie du système, permettant de redéfinir des points d’atterrissage comme de points d’énergie minimum vers lesquels on amène le système naturellement selon une trajectoire voulue.
Méthodes
Différentes méthodes sont envisagées tout au long de ce travail pour pouvoir atteindre les objectifs en vue.Nous allons privilégier les méthodes analytique et expérimentales ; que nous allons essayer d’énumérer sous formes d’étapes successives et cohérentes.
1.Etape : Conception assistée par ordinateur
On va concevoir un modèle 3D de toute la plateforme grâce aux outils de conception 3D ( SolidWorks, Fusion 360,…)
Déterminer les caractéristiques importantes comme la masse idéale voulue( valeur théorique de référence ) , le tenseur d’inertie, …
2.Mécanique de fluide computationnelle( soufflerie numérique)
On va importer le modèle 3D dans un logiciel de CFD pour déterminer les différentes caractéristiques et coefficients aérodynamique ( coefficients de trainée, de portance, caractéristiques des hélices, coefficient de portance locale des pales,…) qui sont des données capitale pour la formulation du problème de control
3.Modélisation de la dynamique du système.
On va se servir des différents formalismes(Newton, Lagrange, Hamilton) pour établir clairement le modèle dynamique du quadrirotor et tirer avantage de chaque formalisme pour résoudre un problème spécifique avenir ou pour profiter de l’interprétation physique de chaque formalisme dans l’aboutissement de la recherche. On va aussi étudier la stabilité( Lyapunov) et la commandabilité/Observabilité du système( Kalman,…)
4.Synthèse et implémentation des lois de contrôles
Ici nous allons nous servir du modèle déjà établi pour synthétiser les lois de contrôle et simuler leur fonctionnement grâce aux outils de simulation comme Matlab-Simulink et ROS /GAZEBO
5.Réalisation pratique du prototype et et interprétation des résultats.
Bibliographie
Bibliographie|a
[1] Luc Jaulin, ENSTA Brétagne, ‘ Géometrie et Commande des drones’.
[2] Reg Austin, ‘Unmanned Aircraft Systems’, Aerospace Series
[3] W.Z Stepniewski, ‘Introduction to Helicopter Aerodynamics’
[4] Boeing Vertol Company, NASA, ‘ Rotary-Wing Aerdynamics’
[5] J.CHAFFOIS, ingenieur militaire de l’air, ‘Elements d’aerodynamique’
Bibliographie|b
1.A Jeanneret & Daniel Lines, " INVITATION A L'ALGEBRE", Cepadues
2.Alexandre Girard, "ROBOTIQUE: MODELISATION, ANALYSE ET COMMANDE", Université de Scherbrooke
3.Andrew Baker, " Matrix Lie Groups: An introduction to Lie Group Theory", Springer
4.Arjan Van der Schaft & Dimitri Jeltsema, "Port-Hamiltonian Systems Theory: an introduction overview", Gottigen
5.Carlos Canudas de Wit, Bruno Siliciano & Gerge Bastin, “Theory of Robot Control”, Springer
6.Darryl Holm, Imperial College London, ‘ Geometric Mechanics, part II: Rotating, Translating and Rolling’
7.El-Bachir Yallaoui, "Topologie Générale Elementaire", Université Ferhat Abbas, Sétif 1
8.Emmanuel Trélat, “Control Optimal: Théorie et Application"
9.Ernesto Olguin Diaz, " 3D Motion of Rigid Bodies: A foundation for Robot Dynamics Analysis", Springer
10.Franco Blanchini, "SYSTEMS AND CONTROL THEORY"
11.G. Cai, B. Chen & T.H Lee, "Unmanned Rotorcraft Systems", Springer
12.Gregoire ALLAIRE & Alexandre ERN , "OPTIMISATION ET CONTRÔLE", Ecole Polytechnique
13.Hans P. Geering, "Optimal Control with Engineering Applications"
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19.Mark Levi, "Classical Mechanics With Calculus of Variations and Optimal Control'
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21.Mich-Ching Tsai & Da-Wei Gu, “Robust and Optimal Control”; Springer
22.N.G. Chetaev, " THEORETICAL MECHANICS", Mir Publishers Moscow
23.Nicolas Petit & Pierre ROUCHON, "Automatique: Dynamique et Contrôle des Systèmes", CAS, MINES ParisTech
24.Olivier Castera, " Mecanique Analytique'
25.Pierre APKARIAN, "ELEMENTS DE LA THEORIE DE LA COMMANDE ROBUSTE"
26.R. Ortega, A. Loria, P.J Nicklasson& H. Sira-Ramirez, "Passivity-based control of Euler-Lagrange Systems", Springer
27.R. Ortega, J.G Romero, P. Borja& A.Donaire, "PID PASSIVITY-BASED CONTROL OF NONLINEAR SYSTEMS WITH APPLICATIONS", WILEY, IEEE PRESS
28.R.Beard & T. MacLAIN, " SMALL UNMANNED AIRCRAFT", PRINCETON UNIVERSITY PRESS
29.René Caldentey, " DYNAMIC PROGRAMMING WITH APPLICATIONS", New York University
30.Robotic Systems Lab, ETH Zurich, "Robot Dynamics Lecture Notes"
31.TIMOTHY D. BARFOOT , " STATE ESTIMATION FOR ROBOTICS"
32.Ursula Porod, "Dynamics of Markov Chains for Undergraduates'
33.Vincent Duindam, " Port-Based Modeling and Control for Efficient Bipedal Walking Robots", phD thesis
34.Yves Granjon, "Automatique", Dunod
35. etc.
Directeur & Encadreur
Directeur: BARAKA Olivier MUSHAGEEncadreur: IRENGE Raoul BAGUMA
Status
Décision ou observation:Feu vert:
Déposé : NON
Défendu: NON
Finalisé: NON