Note publique d'information : L’intérêt pour la modélisation et la commande des engins volants s’est accru de manière
significative au cours de ces dernières années. La complexité et les possibilités
des engins volants s’accroissent rapidement et la gamme des missions qu’elles doivent
réaliser se développe. Cependant afin que les drones puissent atteindre ce potentiel,
certains défis techniques doivent être surmontés, notamment l’étude et l’intégration
de la flexibilité structurelle, la prise en compte des phénomènes aérodynamiques,
et l’élaboration de stratégies de commandes adaptées. Le travail présenté s’inscrit
dans ce cadre et porte spécifiquement sur deux types de drones : -Les plus légers
que l’air : Application à la modélisation et commande d’un dirigeable souple. -Les
plus lourds que l’air : Application à la modélisation et commande d’un quadrirotor
flexible : le XSF. Nous présentons dans un premier temps un modèle global d’engins
volants flexibles autonomes. On admet que ces objets volants subissent de grands déplacements
et de petites déformations élastiques. Le formalisme utilisé est basé sur l’approche
de Newton-Euler, approche souvent utilisée dans le cas d’objets volants rigides. Dans
cette étude nous généralisons le formalisme de corps rigides existant en y incluant
l’effet de la flexibilité, sans pour autant détruire la méthodologie globale, et ce
au moyen d’une technique hybride lagrangienne-eulerienne. La flexibilité apparaît
dans le système dynamique global par le moyen d’un nombre réduit de degrés de liberté
supplémentaires issus d’une synthèse modale. Cette technique permet de faciliter par
la suite l’élaboration d’algorithmes de commande et de stabilisation. Le phénomène
des masses ajoutées est également pris en considération. Une méthode originale de
traitement analytique de ce phénomène a été établie pour un corps flexible en grands
mouvements. Elle est basée sur la notion de potentiel flexible, et sur le développement
de l’énergie cinétique du fluide sous l’effet d’un mouvement global du corps flexible.
Cette méthode a permis de mettre en évidence le couplage rigide-flexible dans la matrice
des masses ajoutées pour un traitement global d’un dirigeable flexible. On présente
aussi le modèle dynamique et aérodynamique du quadrirotor flexible XSF conçu au laboratoire
IBISC et destiné à un concours interuniversitaire sur les microdrones. Une technique
robuste " Backstepping " est réalisée pour la stabilisation du dirigeable flexible
au voisinage d’un point cible. Et une stratégie de contrôle de PID a été proposée
pour la stabilisation de l’XSF. La stratégie de commande est contrainte par l’impératif
d’optimisation du rapport précision/portabilité, pour que les algorithmes développés
puissent être intégrés dans l’informatique embarquée de ces engins volants. Une validation
numérique est présentée à la fin du rapport.
Note publique d'information : The interest of dynamic modeling and control of the autonomous flying objects increased
significantly during these last years. Complexity and capability of these flying objects
are expanding rapidly now, and the range of missions their designed to support is
growing. In order to fulfil this requirement, it is necessary, in one hand, to introduce
the effect of the structural flexibility and the aerodynamic phenomenon in the dynamic
model, and in the other hand, to build a suitable strategy of command and stabilization
for these flying objects. The work is registered within this framework, and relates
two types of engines: - Lighter than air vehicle: Application on the modelling and
control of flexible airship. - Heavier than air vehicle: Application on the modelling
and control of flexible micro-drone. We present a general model of autonomous flexible
flying engine undergoing great overall motion and small elastic displacements. The
formalism used is based on the Newton- Euler approach, which is frequently used for
rigid flying objects. In this study we generalize the existing formalisms for rigid
bodies, by including the effect of flexibility without destroying the total methodology.
A modal synthesis is used. A hybrid method based on the energetic principles and Lagrange
equations is presented. The phenomenon of the added masses is also taken into account.
In order to integrate the fluid-structure interaction of a flexible airship, we develop
an original analytical formulation of the problem using both the new notion of flexible
flow potential, and the development of the kinetic energy of the air constrained by
the motion and the vibration of the airship. This method allows to put in an obvious
place the coupling "overall motion - flexibility" in the added mass matrix. We also
present the dynamic and aerodynamic model of a flexible quadrirotor called XSF, designed
in the IBISC laboratory and intended for an interuniversity competition for microdrones.
A robust methodology based on the " Backstepping " control is realized to stabilize
the airship around a desired position, and a PID controller is proposed to stabilise
the XSF. The strategy of command is compelled by imperative to optimize the ratio
precision/portability, to allow an easy insertion of the developed algorithms in the
embedded electronics. A numerical validation is presented in the end of this report.
paprika.idref.fr
data.idref.fr
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