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Commande optimale minimisant la consommation d'énergie d'un drone utilisé comme relai de communication

Mechirgui, Monia (2014). Commande optimale minimisant la consommation d'énergie d'un drone utilisé comme relai de communication. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Ce projet a pour objectif de mettre en application la commande optimale, plus particulièrement le régulateur linéaire quadratique pour le contrôle de position d’un véhicule aérien sans pilote à quatre hélices connu comme étant un quadrotor. Ce dernier possède une structure symétrique et simple. Ainsi, son contrôle est relativement facile par rapport aux hélicoptères traditionnels.

La commande optimale peut s’avérer être un contrôleur idéal permettant de concilier entre les performances de poursuite et la consommation d’énergie. En pratique, les conditions de linéarité ne sont pas satisfaites, mais certaines élaborations du régulateur linéaire quadratique ont été utilisées dans de nombreuses applications non linéaires avec de bons résultats. Le contrôleur linéaire quadratique utilisé dans le présent mémoire est présenté sous deux formes : simple et adapté à l’état de charge de la batterie. Dans ce projet, on se base sur la structure traditionnelle du régulateur linéaire quadratique et on introduit un nouveau critère qui se base sur l’état de charge de la batterie, dans le but d’optimiser la consommation d’énergie.

Dans ce mémoire, le contrôleur linéaire quadratique est appliqué pour commander le quadrotor. Cette commande est destinée à être utilisée pour contrôler et maintenir la trajectoire désirée pendant plusieurs manoeuvres tout en minimisant la consommation d’énergie. À la fois simple et adapté, le contrôleur linéaire quadratique est mis en oeuvre sous Simulink en temps discret. Le modèle simule la dynamique et le contrôle d'un quadrotor. Les performances et la stabilité du système sont ensuite analysées avec plusieurs tests, du simple vol stationnaire aux trajectoires complexes en boucle fermée.

Résumé anglais

The purpose of this project is to implement an optimal control regulator, particularly the linear quadratic regulator in order to control the position of an unmanned aerial vehicle known as a quadrotor. This type of UAV has a symmetrical and simple structure. Thus, its control is relatively easy compared to conventional helicopters.

Optimal control can be proven to be an ideal controller to reconcile between the tracking performance and energy consumption. In practice, the linearity requirements are not met, but some elaborations of the linear quadratic regulator have been used in many nonlinear applications with good results. The linear quadratic controller used in this thesis is presented in two forms: simple and adapted to the state of charge of the battery. Based on the traditional structure of the linear quadratic regulator, we introduced a new criterion which relies on the state of charge of the battery, in order to optimize energy consumption.

This command is intended to be used to monitor and maintain the desired trajectory during several maneuvers while minimizing energy consumption. Both simple and adapted, linear quadratic controller are implemented in Simulink in discrete time. The model simulates the dynamics and control of a quadrotor. Performance and stability of the system are analyzed with several tests, from the simply hover to the complex trajectories in closed loop.

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 119-123.
Mots-clés libres: Drones Systèmes de commande. Drones Commande automatique. Commande linéaire. Drones Consommation d'énergie. quadratique, quadrotor, régulateur, commande optimale, LQR adapté
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Gagnon, François
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Akhrif, Ouassima
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt: 19 nov. 2014 19:07
Dernière modification: 19 nov. 2014 19:07
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1378

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