Modélisation et commande d'engins volants flexibles

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.