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Estimation et validation des dérivées de stabilité et contrôle du modèle dynamique non-linéaire d’un drone à voilure fixe

Courchesne, Samuel (2013). Estimation et validation des dérivées de stabilité et contrôle du modèle dynamique non-linéaire d’un drone à voilure fixe. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La connaissance des caractéristiques dynamiques d'un drone à voilure-fixe est nécessaire pour la conception des lois de commande de vol ainsi que pour la réalisation d’un simulateur de vol de haute qualité. Les caractéristiques de base d’un modèle de la mécanique du vol incluent les propriétés de masse, d’inertie et les principaux termes aérodynamiques. Ils répondent à un processus complexe impliquant diverses techniques d’analyse numérique et de procédés expérimentaux.

Ce mémoire porte sur l’analyse des techniques d’estimation appliquées aux problèmes d’estimation des dérivées de stabilité et de contrôle à partir des données d’essais en vol fournies par un drone de recherche. Afin d'atteindre cet objectif, une méthodologie d'identification moderne (Quad-M) est utilisée pour coordonner le traitement des tâches à partir des domaines multidisciplinaires, tels que le développement du modèle mathématique, la phase expérimentale, l'estimation des paramètres et la validation du modèle.

Le système à l’étude est un modèle non-linéaire à six degrés de liberté comportant un modèle aérodynamique linéaire. Les techniques du domaine temporel sont utilisées pour l'identification du drone. La première technique, la méthode à erreur d’équation, sert à déterminer la structure du modèle aérodynamique. Par la suite, les méthodes à erreur de sortie et à erreur de filtre sont utilisées pour l’estimation des coefficients aérodynamiques. Les programmes Matlab pour estimer les paramètres, obtenus par la American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA), sont utilisés et modifiés au besoin afin d’obtenir les résultats souhaités.

Un effort louable dans ce cadre de recherche est consacré à la conception des expériences. Cela comprend une prise de conscience du système d'acquisition de données embarqué et la définition des manoeuvres de vol. Les essais en vol ont été réalisés dans des conditions de vol stable, lors de faible perturbation atmosphérique. Les résultats d'identification ont démontré que seule la méthode à erreur de filtre s’avère la plus efficace pour l’estimation des paramètres du drone dû à la présence de bruit de processus et de mesure.

Les coefficients aérodynamiques sont validés à l’aide d’une analyse numérique de la méthode des vortex. De plus, un modèle de simulation intégrant les paramètres estimés est utilisé pour comparer le comportement des états mesurés. Finalement, une bonne correspondance entre les résultats est démontrée malgré un nombre limité de données de vol.

Titre traduit

Estimation and validation of stability and control derivatives for a nonlinear dynamic model of a fixed wing UAV

Résumé traduit

Knowledge of the dynamic characteristics of a fixed-wing UAV is necessary to design flight control laws and to conceive a high quality flight simulator. The basic features of a flight mechanic model include the properties of mass, inertia and major aerodynamic terms. They respond to a complex process involving various numerical analysis techniques and experimental procedures.

This thesis focuses on the analysis of estimation techniques applied to estimate problems of stability and control derivatives from flight test data provided by an experimental UAV. To achieve this objective, a modern identification methodology (Quad-M) is used to coordinate the processing tasks from multidisciplinary fields, such as parameter estimation modeling, instrumentation, the definition of flight maneuvers and validation.

The system under study is a non-linear model with six degrees of freedom with a linear aerodynamic model. The time domain techniques are used for identification of the drone. The first technique, the equation error method is used to determine the structure of the aerodynamic model. Thereafter, the output error method and filter error method are used to estimate the aerodynamic coefficients values. The Matlab scripts for estimating the parameters obtained from the American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) are used and modified as necessary to achieve the desired results.

A commendable effort in this part of research is devoted to the design of experiments. This includes an awareness of the system data acquisition onboard and the definition of flight maneuvers. The flight tests were conducted under stable flight conditions and with low atmospheric disturbance. Nevertheless, the identification results showed that the filter error method is most effective for estimating the parameters of the drone due to the presence of process noise and measurement.

The aerodynamic coefficients are validated using a numerical analysis of the vortex method. In addition, a simulation model incorporating the estimated parameters is used to compare the behavior of states measured. Finally, a good correspondence between the results is demonstrated despite a limited number of flight data.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie aérospatial" Bibliogr. : f. [143]-145.
Mots-clés libres: Drones. Avions - Ailes. Avions - Essais en vol. aérodynamique, coefficient, dérivée, dynamique, estimation, modèle, non-linéaire, stabilité,identification, système
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Saad, Maarouf
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie aérospatial
Date de dépôt: 05 avr. 2013 15:05
Dernière modification: 08 mars 2017 22:19
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1147

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