Effect of Actuation Properties on the Abilities of Multi-Rotor Aerial Vehicles with Emphasis on Hoverability, Fail-safe Robustness, and Trajectory Tracking

Effect of Actuation Properties of Multi-Rotor Aerial Vehicles on Their Abilities : Emphasis on Hoverability, Failure Robustness and Trajectory Tracking Le sujet principal de cette thèse est l’étude des propriétés d’actionnement des Véhicules Aériens (VA), et leurs force/moment réalisables et leurs capacités utiles qui en découlent. Le domaine des VA et les applications correspondantes se sont développés au cours de la dernière décennie, où de nombreuses nouvelles conceptions VA ont émergé au-delà de la conception quadrirotor classique. Ces conceptions utilisent une gamme de techniques pour étendre les capacités de la plate-forme, telles que l’inclinaison active des hélices en vol pour changer la direction de poussée de la plate-forme, l’inclinaison des hélices de la plate-forme pour obtenir un actionnement complet, ou encore optimiser le placement et l’orientation de l’hélice pour obtenir un vol omnidirectionnel. Avec la vaste littérature englobant différentes conceptions, il était inévitable que chaque groupe de conceptions suive une nomenclature et un cadre de conception spécialisés. Bien que cette approche ait contribué à l’avancement de ces conceptions, elle rend la comparaison des capacités de différentes conceptions une tâche difficile. Contrairement aux plates-formes à voilure fixe, les VA sont utilisés pour leur capacité à flotter sur place, c’est-à-dire à stabiliser leur position autour d’une position souhaitée sur une période de temps. A partir de cette configuration, une plate-forme doit avoir la possibilité de se déplacer ensuite en suivant une trajectoire souhaitée. Bien que ces deux capacités aient été discutées en profondeur dans la littérature de manière implicite et explicite, nous pensons que les conditions pour qu’une plate-forme flotte ont été discutées soit théoriquement, soit dérivées pour des plates-formes spécifiques. Cependant, un cadre numérique général permettant l’analyse de cette capacité n’a jamais été introduit. De même pour la capacité d’une plate-forme à voler de manière omnidirectionnelle : alors que le comportement souhaité d’une plate-forme omnidirectionnelle est intuitivement compris et que les conditions pour atteindre cette capacité ont été discutées dans la littérature, ces conditions ignorent généralement les limites d’actionnement de la plate-forme et nécessitent une analyse au cas par cas de la capacité de la plateforme. D’un autre point de vue, les VA sont généralement équipés d’un ensemble de capteurs qui permettent à ces véhicules de détecter leur environnement et d’estimer leur état. Ces capteurs sont à l’origine de l’intelligence associée à ces plateformes, et qui leur permet de naviguer de manière autonome. L’un de ces capteurs, devenu crucial pour les VA moderne, est l’Unité de Mesure Inertielle (UMI). En plus de leur utilization pour l’estimation d’état, les mesures des UMI ont été récemment utilizes pour piloter un quadrotor de manière robuste. Bien que ces contrôleurs aient permis aux quadrotors d’atteindre des performances intéressantes, ils reposent toujours sur des mesures à haute fréquence des vitesses des hélices et filtrent les mesures d’UMI avec des filtres moins qu’optimaux. En tant que tel, et suite à l’introduction ci-dessus, cette thèse tente de fournir une pléthore de contributions à la fois dans la perspective de conception et de contrôle des véhicules aériens multi-rotors commençant par la modélisation des VA génériques, suivie par des méthodes numériques pour analyser leurs capacités de base. Ces analyses sont suivies de contributions à la conception d'un nouveau prototype VA omnidirectionnel et d'une analyse expérimentale de différents suivis de trajectoire VA. Enfin, une nouvelle méthode pour filtrer les mesures UMI et les utiliser dans un contrôle robuste des VA. Chacune de ces contributions est couplée à des contributions mineures supplémentaires, laissées au lecteur curieux à trouver. Enfin, chacune des contributions théoriques présentées dans cette thèse est couplée à une vaste campagne expérimentale qui démontre les hypothèses énoncées.