Evaluation and implementation of nonlinear control techniques on unmanned aerial vehicles

Abstract

Cette these s’articule autour de la mod ` elisation, la conception et le contr ´ ole d’un micro- ˆ vehicule a ´ erien sans pilote, contr ´ ol ˆ e par quatre rotors (quadrirotors). Elle pr ´ esente une con- ´ tribution au developpement et ´ a l’impl ` ementation des strat ´ egies de commande non lin ´ eaires ´ pour resoudre le probl ´ eme de suivi de trajectoire des quadrirotors. Pour cela, deux strat ` egies ´ de commandes non-lineaires sont propos ´ es dans ce travail. La premi ´ ere ` etant la commande ´ predictive par modes glissants (PSMC). Cette strat ´ egie vise ´ a combiner les avantages de ` la commande par mode glissant (SMC) et la commande predictive par mod ´ ele non-lin ` eaire ´ (NMPC) pour ameliorer les performances de suivi de trajectoire des quadrirotors en termes ´ d’optimalite, de satisfaction des contraintes d’entr ´ ees/ ´ etats et de forte robustesse contre ´ les perturbations. Les resultats de la simulation montrent que sous les rafales du vent et ´ les incertitudes variant dans le temps, le PSMC surpasse les autres commandes en fournissant simultanement un rejet des perturbations et en garantissant que les entr ´ ees de ´ commande sont dans des limites pred´ efinis. Actuellement, la plupart des ´ etudes sur les ´ quadrirotors utilisent des approches classiques pour decrire l’attitude comme les angles ´ d’Euler. Ces angles sont intuitivement comprehensibles mais posent des probl ´ emes tels ` que les blocages de cardan, des singularites, des discontinuit ´ es et des ´ equations haute- ´ ment non lineaires. La deuxi ´ eme strat ` egie de commande qui est d ´ evelopp ´ ee dans ce travail ´ est basee sur NMPC avec param ´ etrisation d’attitude quaternions d ´ elivr ´ ee pour le suivi de ´ trajectoire. L’approche basee sur les quaternions est utilis ´ ee´ a la place des angles d’Euler ` pour pallier aux problemes de ces derniers. Ce travail propos ` e est illustr ´ e par une simulation ´ numerique avec ´ evitement d’obstacles. Enfin, nous fabriquerons notre propre quadrirotor en ´ commenc¸ant par presenter ses diff ´ erents composants, puis nous identifions les param ´ etres ` necessaires ´ a sa mise en place pour l’impl ` ementation des m ´ ethodes de commande.