Stabilisation d'un véhicule aérien autonome en présence de vent

Ce travail de these porte sur l’obtention des methodes originales et robustes permettant le vol stationnaire automatique d’un vehicule aerien en presence de rafales de vent, dont les simulations developpees ont ete testees par des experiences en temps reel en utilisant deux plates-formes differentes. La representation dynamique du vehicule volant en presence de vent a ete bien sur un des premiers objectifs a resoudre avant le developpement des strategies de commande. Nous avons obtenu un modele mathematique pour l’avion du type PVTOL (Planar Vertical Take-Off and Landing) et pour l’helicoptere a quatre rotors qui tient compte des forces aerodynamiques produites par le vent. Ces modeles permettent d’expliquer le fonctionnement de ces types d’engins volants, a savoir comment sont generees les forces et les couples induits par le vent qui agissent sur l’appareil. Par ailleurs, trois lois de commande non lineaires basees sur l’analyse de Lyapunov ont ete proposees pour stabiliser le drone en presence de vent. La premiere approche utilise des RCLFs (Robust Control Lyapunov Functions). Etant donne la complexite du probleme, nous avons commence par un systeme qui se deplace sur un seul axe, c’est a dire, un chariot. Ce resultat a ensuite ete etendu pour le cas d’un avion du type PVTOL et pour l’helicoptere a quatre rotors. Pour valider les algorithmes de commande plusieurs simulations ont ete realisees. Pour tester sa viabilite dans une application reelle, nous avons fait des experiences a l’aide du prototype de l’avion PVTOL. Les resultats en simulation et en temps reel nous ont montre la bonne performance de la loi de commande en boucle fermee. La deuxieme approche est basee sur des fonctions de saturations separees. Cette loi de commande a ete proposee, a l’origine, par G. Sanahuja et al, cependant, nous avons montre une analyse de robustesse par rapport a des perturbations externes inconnues et des incertitudes non lineaires dans le modele. La preuve prend en compte comme seule hypothese le fait que la perturbation soit bornee (comme des rafales de vent). Les algorithmes ont ete testes sur le prototype aerien et les resultats experimentaux ont montre une bonne performance en presence de fortes perturbations. La derniere approche prend en compte les proprietes intrinseques de l’helicoptere a quatre rotors, en particulier, la passivite Ainsi, une loi de commande sous-optimale a ete developpee. L’analyse est basee sur l’energie complete du systeme, la passivite, la theorie de stabilite de Lyapunov et l’utilisation de la programmation dynamique. Les resultats en simulation ont montre que cette commande peut etre utile quand l’helicoptere doit faire des manœuvres plus complexes que le vol stationnaire. Enfin, un schema de controle utilisant un observateur d’etat a ete developpe. Ce schema emploie le filtrage de Kalman etendu pour estimer la position dans le plan (x,y) et la vitesse verticale z du drone. En utilisant des mesures d’une centrale inertielle, un capteur d’altitude, un systeme de vision et les entrees de commande, l’etat du systeme est estime. Le systeme de vision est utilise pour obtenir les vitesses de translation du vehicule et il se compose d’une camera et un algorithme de flux optique. L’observateur a ete valide par des experiences en temps reel pour l’helicoptere a quatre rotors dont les resultats ont ete tres concluants.