MODÉLISATION D’UN DRONE RIGIDE

Classification des drones

Les drones peuvent être classés selon différents critères incluant la taille, le poids, la portée de la télémétrie, le type, d’aile, l’endurance, l’altitude d’opération, etc… Une classification intéressante fut proposée par l’European Association of Unmanned Vehicles Systems (EUROUVS) plus tard devenue l’Unmanned Vehicles Systems International (UVS International). La classification est basée sur différents paramètres comme le poids maximum au décollage, l’altitude maximale et le temps de vol maximum. Le Tableau 1.1 est repris de Bento (2008, p. 55) où l’auteur nous présente un sommaire complet des quatre principales catégories de drone et de leurs acronymes. Les mini et micro drones (Micro-Air Vehicle (MAV)) sont les plus petits parmi les quatre, ils sont surtout utilisés pour des applications civiles, scientifiques ou commerciales. Les drones tactiques sont utilisés pour les applications militaires, ils incluent les drones à portées rapprochées (Close Range (CR)), à portées courtes (Short Range (SR)), à portées moyennes (Medium Range (MR)), à longues portées (Long Range (LR)), d’Endurance (EN) et à Moyenne Altitude et Longue Endurance (MALE). Ensuite, il y a les drones stratégiques qui sont beaucoup plus lourds et gros que ceux des catégories précédentes. Ils sont conçus pour les applications en Haute Altitude et Longue

La cellule d’un mini-drone

À l’heure actuelle, il y a au moins neuf mini-drones en service dans les forces armées américaines Office of the Secretary of Defense (U.S.) (2005, p. 26). Ceux-ci sont le Pointer, le Raven et le Dragon-Eye qui sont tous fabriqués par AeroVironment. On compte aussi, le Force Protection Aerial Surveillance System (FPASS) de Lockheed Martin, le Buster de Mission Technologies Inc., le Silver Fox de Advanced Ceramics, le ScanEagle de Insitu Group et Boeing, l’Aerosonde de Aerosonde et Lockheed Martin et finalement le Nighthawk (BATCAM) de ARA. Les systèmes de propulsion sont divisés entre les moteurs à combustion interne et les moteurs électriques dans une proportion de quatre contre cinq respectivement. Il est à noter que cinq des six drones les plus légers (< 4.6kg) sont à propulsion électrique. On retrouve des hélices propulsives dans quatre des neuf cas, probablement parce qu’elles ont l’avantage d’éviter que l’écoulement de l’air turbulent à la sortie de la propulsion ne vienne interférer avec l’aile. Ceci a pour effet de diminuer la trainée et de simplifier la modélisation pour la conception du système de contrôle.

Dans le cas de tous les drones, les capteurs sont situés à l’intérieur de fuselages fermés de type conventionnel. Sur les neuf, sept adoptent la configuration classique soit une aile et un empennage complet. Les deux qui n’ont pas d’empennage complet se contentent seulement de l’empennage vertical dans le cas du Dragon Eye et de dérives de bout d’aile dans le cas du ScanEagle. Des sept avec un empennage complet, deux possèdent un empennage en V. Seulement quatre dans ce lot comprennent aussi des ailerons soit : les FPASS, BUSTER, Silver Fox et Aerosonde. Les autres sont suffisamment stables de façon inhérente pour n’être dirigé qu’avec l’empennage. Finalement, on remarque qu’aucun n’a de train d’atterrissage pour réduire la trainée en vol et accroitre l’autonomie. Ils sont tous soit lancés à la main ou à la catapulte et récupérés avec un parachute ou un atterrissage sur le fuselage.

Du côté des mini-drones civils et scientifiques, en ANNEXE V, vous retrouverez une liste non-exhaustive des sites web des différents groupes de recherche à travers le monde s’intéressant à la classe des mini-drones à voilure fixe Tandis qu’en ANNEXE III, vous retrouverez une liste, aussi non-exhaustive, des sites web des fabricants de mini-drones civils. Étant donné la multitude de mini-drones scientifiques dans la littérature nous ne couvrirons qu’un échantillon de quelques mini-drones intéressants. Dans la plupart des publications, les drones sont en fait des avions téléguidés tels que ceux utilisés par les amateurs auxquels on ajoute les équipements et les capteurs requis pour augmenter le niveau d’autonomie (suivi de points de cheminement (way-points) à l’aide du Global Positioning System (GPS), augmentation de la stabilité) ou pour accomplir la tâche visée (caméra, capteurs météo). Les auteurs Murch et al. (2011, p. 29) de l’université du Minesotta et Owens, Cox et Morelli (2006, p. 2) de la NASA en sont un bon exemple. Les travaux du premier sont en fait la suite des travaux du deuxième. Les deux sont donc pourvu d’un Ultra Sitck 25e, d’un Ultra Stick 120 et d’un Mini Ultra Stick qui sont des avions téléguidés à configuration classique, avec une aile haute et les trois surfaces de contrôle classiques (ailerons, gouverne de profondeur, gouverne de direction) et des volets hypersustentateurs. Ils sont tous les trois à propulsion électrique et sont capables de manoeuvres acrobatiques. Ces drones sont utilisés pour la recherche sur les algorithmes de contrôle et de navigation.

Les auteurs Yeh et al. (2010, p. 2), utilisent pour leur part un modèle à l’échelle un quart d’un Cessna 182 et un modèle à l’échelle une demie d’un Piper J-3 Cub, tous deux des avions téléguidés commerciaux. Le but de ces drones est de tester en vol les contrôleurs adaptatifs (reconfigurable en cas de faute) développés dans le cadre du projet Integrated Resilient Aircraft Control (IRAC) de la NASA. Vu leur poids plus important, ces derniers utilisent des moteurs à combustion interne. Ensuite, Wypyszynski (2009, p. 15), utilise pour sa part un Piper J-3 Cub Édition Anniversaire de Golberg. Comme pour les drones précédents, il possède, en plus des trois surfaces de contrôles classiques, des volets hypersustentateurs.

Il est également équipé d’un moteur électrique et est utilisé pour le test de méthodes d’identification en vol des paramètres aérodynamiques. Une autre stratégie pour la dotation d’un mini-drone scientifique consiste à acheter un drone commercial tout simplement, mais à fort prix. Les auteurs Holland et al. (2001, p. 1) décrivent leur utilisation de l’Aerosonde pour la météorologie. L’Aerosonde est livrée avec tous les capteurs et l’équipement nécessaires à son fonctionnement. Ensuite, les auteurs Wigley et Jasiunas (2006, p. 3) utilisent le Vector P comme point de départ pour leur drone et décrivent l’intégration de leurs équipements de calcul à l’intérieur de ce dernier. Dans les deux cas, une hélice propulsive est utilisée, libérant ainsi l’avant du fuselage pour l’accès aux capteurs.

Finalement, la dernière stratégie consiste à concevoir un drone de A à Z. Celle-ci présente l’avantage indéniable d’offrir une plateforme parfaitement adaptée à ses besoins. Par contre, cette méthode demande plus de temps et il en résulte un drone unique, donc difficile à comparer avec les autres. L’auteur Guoqing (2010, p. 157) utilise un UAV conçu par lui et son équipe pour faire de la cartographie photo. Le drone adopte la configuration classique à aile haute, moteur à combustion interne et surfaces de contrôle classiques plus les volets hypersustentateurs. Dans un autre registre, les auteurs Katon et Kuntjoro (2011, p. 73) décrivent la conception du châssis de leur nouveau drone le BWB Baseline II-E2. Il s’agit d’un drone sans empennage avec un corps portant (Blended Wing Body (BWB)). Il est propulsé par une mini-turbine, et ses surfaces de contrôles comprennent des plans canard à l’avant pour le tangage et probablement des ruderons sur les ailes pour assurer le lacet et le roulis.

Il s’agit d’une conception ambitieuse dont il faudra suivre les développements. Ensuite, Winkler et al. (2005, p. 2) décrivent la conception de l’algorithme de fusion des données du module GPS et de la centrale inertielle de leur mini-drone de surveillance. Il est très petit et performant, d’une envergure de 50cm, il pèse 450g et peut voler plus de 20 min à 70km/h. Finalement, Ming, Egan et Yunjian (2006, p. 3244) nous présentent leur méthode d’identification des paramètres aérodynamiques de leur drone sans empennage horizontal. Il s’agit d’une aile volante avec une dérive verticale, ses seules surfaces de contrôle sont ses elevons qui assurent selon leur configuration, le contrôle du roulis, du tangage et du lacet du drone. Donc à la lumière de ce tour d’horizon, les facteurs temps et coûts étant prédominants dans notre situation, nous choisissons l’option d’acheter un avion téléguidé et de le convertir en drone. Voir la section 1.5 sur le choix de la plateforme expérimentale.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 ÉTAT DE L’ART
1.1 Historique
1.2 Classification des drones
1.3 Utilisations des drones
1.4 Travaux reliés
1.4.1 La cellule d’un mini-drone
1.4.2 Équipement de mesure et contrôle
1.4.3 Techniques de contrôle
1.5 Choix de la plateforme expérimentale
CHAPITRE 2 MODÉLISATION D’UN DRONE RIGIDE
2.1 Référentiels
2.1.1 Référentiel Earth-Centered, Earth-Fixed (ECEF)
2.1.1.1 Le World Geodetic System 1984 (WGS84)
2.1.1.2 L’ellipsoïde
2.1.1.3 La géode
2.1.1.4 La surface terrestre
2.1.1.5 Longitude, Latitude, Altitude (LLA)
2.1.2 Référentiel local tangent
2.1.3 Référentiel du corps du drone
2.1.4 Référentiel de la stabilité
2.1.5 Référentiel du vent relatif
2.2 Transformation entre les référentiels
2.2.1 Du référentiel ECEF au référentiel local tangent
2.2.2 Du référentiel local tangent au référentiel du corps du drone
2.2.3 Du référentiel du vent relatif au référentiel du corps du drone
2.3 Équations du mouvement du drone
2.3.1 Analyse cinématique du mouvement de rotation
2.3.1.1 Angles d’Euler
2.3.1.2 Quaternions
2.3.1.3 Matrices de rotation
2.3.2 Analyse dynamique du mouvement de translation
2.3.3 Analyse dynamique du mouvement angulaire
2.4 Équations de navigation du drone
2.5 Équations aérodynamiques
2.5.1 Forces aérodynamiques
2.5.2 Moments aérodynamiques
2.6 Modèle aérodynamique
2.6.1 Modélisation linéaire des coefficients aérodynamiques
2.6.2 Modélisation non linéaire des coefficients aérodynamiques
CHAPITRE 3 MODÉLISATION DES PARAMÈTRES EXPÉRIMENTAUX
3.1 Modélisation des tenseurs d’inertie
3.2 Modélisation des actuateurs
3.3 Modélisation du groupe moteur-hélice
3.4 Identification du modèle aérodynamique
3.4.1 Méthode du réseau de tourbillons
3.4.2 Identification en vol
3.4.2.1 Méthode de minimisation de l’erreur de sortie
3.4.2.2 Méthode des moindres carrés
3.4.2.3 Manœuvres en vol
3.4.3 Modèle aérodynamique du FASER
3.4.3.1 Adaptation du modèle à la MOUETS
CHAPITRE 4 CONCEPTION DE LA COMMANDE
4.1 Qualités de vol et de manœuvrabilité
4.2 Commande non-linéaire
4.3 Introduction à l’inversion de la dynamique pour un avion
4.3.1 Boucle de contrôle interne
4.3.2 Boucle de contrôle externe
4.3.3 Stabilité du système
4.4 Boucle de navigation
4.5 Suivi de la trajectoire
CHAPITRE 5 DÉVELOPPEMENT DE LA PLATEFORME EXPÉRIMENTALE
5.1 Conception de la carte du contrôleur
5.1.1 Choix des périphériques
5.1.1.1 Centrale inertielle à six degrés de libertés ADIS16364 (Analog Devices)
5.1.1.2 Capteur de pression absolue SPC1000 (VTI Technologies)
5.1.1.3 Magnétomètre trois axes
5.1.1.4 Capteur de pression différentiel 5 INCH-D-4V (All Sensors Corp.)
5.1.1.5 Capteur d’angle d’attaque et de dérapage (α et β)
5.1.1.6 Module GPS SPK-GPS-GS405 (SPK Electronics Co., Ltd)
5.1.1.7 Radio-MODEM XBee-Pro® (Digi International Inc
5.1.1.8 Lecture des commandes du pilote (récepteur)
5.1.1.9 Contrôle des servomoteurs
5.1.2 Architecture du contrôle
5.1.3 Choix du contrôleur de bas niveau
5.1.4 Choix du contrôleur haut niveau
5.1.5 Alimentation
5.1.6 Câblage
5.1.7 Contraintes physiques
5.1.7.1 Poids
5.1.7.2 Dimensions extérieures
5.1.7.3 Position du CM
5.2 Conception du logiciel du microcontrôleur
5.2.1 Structure du code
5.2.2 Services développés
5.2.2.1 Services de transmission et de réception de données USART
5.2.2.2 Services SPI
5.2.2.3 Service TWI
5.2.2.4 Service pour le contrôle des servomoteurs
5.2.3 Format de la trame pour le DSP et Télémétrie
5.3 Conception du logiciel du DSP
5.3.1 Structure du code
5.3.2 Services de transmission et de réception de données USART
5.3.3 Format de la trame à envoyer au microcontrôleur
5.4 Conception de la station au sol
5.4.1 Interface graphique
5.4.2 Structure du code
5.4.3 Sauvegarde des données
5.4.4 Bogues connus
CHAPITRE 6 ESTIMATION DE L’ASSIETTE
6.1.1 Introduction au filtrage complémentaire explicite
6.1.2 Algorithme utilisé
CHAPITRE 7 EXPÉRIMENTATION ET ANALYSE DES RÉSULTATS
7.1 Simulation sur Simulink
7.2 Résultats expérimentaux
7.2.1 Listes de vérification
7.2.1.1 Avant d’aller au champ de vol
7.2.1.2 Avant de voler
7.2.1.3 Une fois en vol
7.2.1.4 Une fois de retour au sol
7.3 Réponses du drone et de son modèle en boucle ouverte
7.4 Réponses du drone en boucle fermée
7.5 Réponses en boucle fermée du modèle du drone
7.5.1 Inversion de la dynamique rapide
7.5.2 Inversion de la dynamique lente
7.5.3 Inversion de la dynamique de masse ponctuelle
7.5.4 Simulation du suivi de trajectoire
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I TRAME ENVOYÉE PAR LE MICROCONTRÔLEUR
ANNEXE II SITES WEB DES GROUPES DE RECHERCHE S’INTÉRESSANT AUX MINI-DRONES À VOILURE FIXE
ANNEXE III SITES WEB DES FABRICANTS DE MINI-DRONES ÀVOILURE FIXE
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES