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Contrôle non linéaire par backstepping d'un hélicoptère de type quadrotor pour des applications autonomes

Charland-Arcand, Guillaume (2014). Contrôle non linéaire par backstepping d'un hélicoptère de type quadrotor pour des applications autonomes. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le quadrotor est un aéronef faisant partie de la famille des hélicoptères, plus particulièrement de la famille des multirotors. Le quadrotor possède plusieurs caractéristiques (simplicité mécanique, décollage/atterrissage vertical, vol stationnaire, agilité) qui lui procurent plusieurs avantages opérationnels par rapport à d’autres types d’appareils. Cependant, ces caractéristiques proviennent de la dynamique hautement non linéaire, couplée et sousactionnée du quadrotor, ce qui le rend impossible à commander sans l’action d’un contrôleur. Ce mémoire propose donc de concevoir un contrôleur permettant d’asservir précisément la position du quadrotor dans l’espace. Ce contrôleur pourra ensuite être utilisé pour effectuer des missions autonomes à l’aide d’un quadrotor.

L’application qui nous intéresse dans ce mémoire provient de la problématique de recherche du projet « Launch and Forget : Aerial Relay Node » de l’École de technologie supérieure (ÉTS) en collaboration avec la compagnie Ultra-Electronics. Celle-ci cherche à concevoir et implémenter une loi d’autonavigation innovatrice permettant d’utiliser un drone comme un relais de télécommunication.

L’objectif général du projet de recherche présenté dans ce mémoire est de concevoir un contrôleur non linéaire de type backstepping pour permettre la navigation du quadrotor selon des points de contrôle prédéfinis et d’offrir les fonctionnalités nécessaires pour implémenter la loi d’autonavigation développée dans le cadre du projet «Launch and Forget ». Pour ce faire, une modélisation mathématique du quadrotor a été effectuée. Par la suite, la conception du contrôleur backstepping a été effectuée à partir du modèle. Sa stabilité a ensuite été validée à l’aide de la théorie de stabilité de Lyapunov et à l’aide de la théorie de la stabilité entrées à états (Input to State Stability - ISS). Un estimateur exact de dérivée basé sur un algorithme de mode glissant d’ordre 2 est utilisé lors de la conception du contrôleur qui permet d’évaluer les variations des commandes virtuelles d’ordre élevé.

L’approche de commande choisie est validée en simulation à l’aide du modèle théorique et en pratique à l’aide d’un quadrotor de type Pelican fabriqué par la compagnie Ascending Technologies.

Résumé traduit

The quadrotor aircraft is a class of helicopter, more specifically of multirotors. The quadrotor has several characteristics (mechanically simple, vertical takeoff and landing, hovering capacities, agile) that give it several operational advantages over other types of aircraft. But its beneficts come at a cost : the quadrotor has a highly nonlinear dynamics, coupled and underactuated which makes it impossible to operate without a feedback controller action. This thesis proposes to design a nonlinear backstepping control law to control the exact position of the quadrotor in space. This controller can then be used to perform autonomous missions with a quadrotor.

The application we are interested in this thesis comes from the research project « Launch and Forget : Aerial Relay Node » of the École de technologie supérieure (ÉTS) in partnership with the company Ultra-Electronics. It seeks to develop and implement an innovative autonavigation law allowing the use of a drone as a telecommunication link.

The overall objective of the research project presented in the thesis is to design a backstepping controller for the navigation of a quadrotor according to predefined waypoints and provide the features necessary to implement the autonavigation law developped in the project « Launch and Forget : Aerial Relay Node ». To do this, a nonlinear model of the quadrotor is developped. A backstepping control based on this model is design and its stability is validated using Lyapunov theory and Input State Stability (ISS). An exact derivative estimator based on a second order sliding mode is used in the design of the controller to calculate the virtual control high order derivative.

The controller is validated by simulation and by practical flight tests using the Pelican quadrotor manufactured by the company Ascending Technologies.

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 électrique". Bibliographie : pages 160-165.
Mots-clés libres: Hélicoptères Systèmes de commande Conception et construction. Commande non linéaire. backstepping, controleur, quadrotor, contrôle non linéaire, stabilité de Lyapunov, mode glissant d’ordre 2, stabilité entrées à états, drone
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de thèse
Ouassima, Akhrif
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt: 24 oct. 2014 18:15
Dernière modification: 24 oct. 2014 18:15
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1359

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