Model-free control algorithms for tail-sitter micro air vehicles (Algorithmes de contrôle sans modèle pour les micro drones de type tail-sitter) Olszanecki Barth, Jacson Miguel 2020-05-28 Institut Supérieur de l'Aéronautique et de l'Espace

Directeur(s) de thèse:  Moschetta, Jean-Marc; Condomines, Jean-Philippe Laboratoire :  Ecole Nationale de l’Aviation Civile -ENAC ,  Département Aérodynamique, Energétique et Propulsion -DAEP (depuis 2007) Ecole doctorale :  Aéronautique - Astronautique -AA Classification : Sciences de l'ingénieur

Accès :  Texte intégral Mots-clés : Commande robuste, Mécanique du vol, Aérodynamique, Commande sans modèle, Micro drones convertibles, Tail-Sitter Résumé : Les micro drones à capacités de vol de transition, ou simplement HMAVs (de l’anglais Hybrid MicroAir Vehicles), regroupent les principales caractéristiques aérodynamiques des configurations à voilure fixe, en termes d’endurance, avec les capacités de décollage et d’atterrissage vertical des voilures tournantes afin d’effectuer cinq phases de vol au cours de ses missions, telles que le décollage vertical, le vol de transition, le vol en croisière, le vol stationnaire et l’atterrissage vertical. Cette nouvelle classe de micro drones a un domaine de vol plus large que les microdrones conventionnels, ce qui implique de nouveaux défis pour les automaticiens et les concepteurs aérodynamiques. L’un des principaux défis des HMAVs est la variation rapide des forces et des moments aérodynamiques pendant la phase de vol de transition, qui est difficile à modéliser et à contrôle avec précision. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur le développement de lois de pilotage pour une classe spécifique des HMAVs, à savoir les tail-sitters.Afin de stabiliser la dynamique des tail-sitters et de surmonter leur problème de modélisation,nous proposons une architecture de contrôle de vol qui estime en temps réel leurs dynamiques grâce à un contrôleur à rétroaction intelligent. Le contrôleur de vol proposé est conçu pour stabiliser l’attitude du tail-sitter ainsi que sa vitesse, et sa position pendant toutes ses phases de vol. En utilisant des algorithmes de la commande sans modèle, l’architecture de contrôle de vol proposée contourne le besoin d’un modèle dynamique précis dont l’obtention est coûteuse et longue. Une série complète de simulations de vol couvrant l’ensemble du domaine de vol des tail-sitters est présentée et, pour chaque phase de vol, son analyse respective.Avant d’introduire des expériences de vol réel, nous évaluons les performances et les limites de l’architecture de commande sans modèle en simulation. Les essais en vol permettent de clarifier et de valider notre méthodologie de contrôle dans un contexte pratique, résolvant ainsi le principal problème des tail-sitters, à savoir la formulation d’équations dynamiques précises pour concevoir es lois de commande. En outre, à partir d’algorithmes mathématiques simples, la commande sans modèle est facilement implémentée sur microprocesseurs sans nécessiter de coûts de calcul élevés, tels que la fréquence de traitement et les ressources de mémoire. Les résultats obtenus fournissent un moyen simple de valider les principes méthodologiques présentés dans cette thèse,de certifier les paramètres obtenus lors de la conception de la commande sans modèle et d’établir une conclusion concernant ses avantages et ses inconvénients dans des contextes théoriques et pratiques liés aux systèmes aérospatiaux. Résumé (anglais) : Micro Air Vehicle (MAV)s with transitioning flight capabilities, or simply Hybrid Micro Air Vehicle(HMAV)s combine the beneficial features of fixed-wing configurations in terms of endurance,with vertical take-off and landing capabilities of rotorcraft to perform five different flight phases during typical missions : vertical takeoff, transitioning flight, forward flight, hovering, and verticallanding. This promising MAV class has a wider flight envelope than conventional MAVs,which implies new challenges for both control community and aerodynamic designers. One ofthe major challenges of HMAVs is the fast variation of aerodynamic forces and moments during the transition flight phase, which is difficult to model and control accurately. In this thesis, we focus on the development of control laws for a specific class of HMAVs, namely tail-sitters.In order to stabilize the HMAV and overcome its modeling problem, we propose a flight control architecture that estimates in realtime its fast nonlinear dynamics with an intelligent feedback controller. The proposed flight controller is designed to stabilize the HMAV attitude,velocity and position during all flight phases. By using Model-Free Control (MFC) algorithms,the proposed flight control architecture by passes the need for a precise HMAV model that iscostly and time consuming to obtain. A comprehensive set of flight simulations covering theentire flight envelope of the HMAV is presented, with the respective analysis for each of theflight phases. Furthermore, the control performance and the limitations of the MFC architecture are discussedin order to introduce further applications in real flight experiments. Flight tests clarifyand validate the proposed control methodology in a practical context, thus solving the principal issue of HMAVs; that is, the formulation of accurate HMAV dynamic equations to design control laws. In addition, from simple mathematical algorithms, MFC is easily implemented ona microprocessor without the need for high computational costs, such as time processing andmemory resources. The results obtained provide a straight forward way in which to validate the methodological principles presented in this thesis, to certify the designed MFC parametersand to establish a conclusion regarding MFC advantages and disadvantages in theoretical and practical contexts related to aerospace systems. Langue : Anglais

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