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Contributions à l'estimation et à la commande d'attitude de véhicules aériens autonomes par Lotfi Benziane

Présentée par : Lotfi Benziane Discipline : génie informatique, automatique et traitement du signal Laboratoire : LISV

Résumé :
Les drones ou systèmes de drones aériens jouent un rôle de plus en plus important dans tous les domaines, spécialement les drones à décollage et atterrissage verticaux. L'un des plus connus est le Quadrotor et, sans doute, il est la plateforme de recherche la plus utilisée. Cette thèse traite le problème de l'estimation et de la commande d'attitude appliqué à un corps rigide se déplaçant dans l'espace 3D tel que le Quadrotor. La première contribution de cette thèse est la conception et l'implémentation d'une solution d'estimation d'attitude. Celle-ci est basée sur un ensemble de filtres complémentaires combinés avec un algorithme algébrique tel que TRIAD, QUEST, etc. avec la possibilité de choisir deux formes différentes des filtres: la première dénommée forme Directe, et la seconde dénommée forme Passive. Les filtres proposés ont une flexibilité dans le choix de l’ordre qui peut être pris grand afin de bien réduire l’effet du bruit de mesure et permettent d’aboutir à un estimateur qui peut prendre en compte le biais éventuel des gyromètres. L'analyse par la théorie de Lyapunov prouve que les erreurs d'estimation tendent globalement et asymptotiquement vers zéro. Une suite logique de cette première contribution est la proposition d'une solution pour la commande d'attitude qui constitue la deuxième contribution de cette thèse. Elle se traduit par le développement d'une nouvelle loi de commande d'attitude d'un corps rigide dans l'espace 3D, dans laquelle seulement les vecteurs de mesures inertiels avec les mesures des gyromètres sont utilisés. Elle utilise le principe de fusion des données à travers un filtre complémentaire permettant l'élimination des bruits des mesures tout en assurant une stabilité presque globale de l'équilibre désiré. La troisième contribution est une loi de commande pour la stabilisation d'attitude sans mesure de vitesse angulaire, ni mesure d'attitude. Pour cela, un système linéaire auxiliaire basé sur les mesures des vecteurs inertiels a été introduit. Ce dernier se substitue au manque de l'information de la vitesse angulaire. L'analyse de stabilité du contrôleur proposé est basée sur la théorie de Lyapunov couplée avec le théorème de LaSalle. Elle permet de conclure sur la stabilité presque globale de l'équilibre désiré. Les performances des solutions proposées ont été validées par un ensemble de tests expérimentaux.

Abstract :
Nowadays, we see a growing popularity of the use of Unmanned Aerial Vehicles (UAV) of especially Vertical Take-Off and Landing (VTOL) type. One of the most known VTOL is the quadrotor or Quadcopter which is probably the most used one as a research platform. This thesis deal with attitude control and estimation techniques applied to a rigid body moving in 3D space such as Quadcopter VTOL. The first contribution of this thesis is the design of a new class of complementary linear-like filters allowing the fusion of inertial vector measurements with angular velocity measurements and combined with algebraic algorithms as TRIAD, QUEST etc. to give an efficient attitude estimation solution. This class of filters allows several possibilities of implementation such as the order of the filters which can be chosen high in order to reduce more the measurement noise and the form of the filters that can be direct or passive and the ability to take into account the possible gyro bias. Lyapunov analysis shows the global asymptotic convergence of the estimation errors to zero. The same principle of data fusion is used for the proposed new attitude control law in which the complementary filters were included to reduce the effect of measurement noise. The obtained controller ensures almost global stability of the desired equilibrium point ; it represents the second contribution of this thesis. The third contribution takes into consideration an interesting special case, where instantaneous measurements of attitude and angular velocity are unavailable. A first order linear auxiliary system based directly on vector measurements is used in an observer-like system to handle the luck of angular velocity. The proposed controller ensures almost global asymptotic stability of the trajectories to the desired equilibrium point. Detailed sets of experiments were done to validate the obtained results.
Informations complémentaires
Maruthi R.AKELLA, Professeur, à l’Université du Texas/Department of Aerospace Engineering and Engineering Mechanics - Austin (Etats-Unis) - Rapporteur - Non présent à la soutenance
Nicolas MARCHAND, Directeur de Recherche, à l’Université Grenoble-Alpes/Laboratoire Grenoble Images Parole Signal Automatique (GIPSA-Lab) - Saint-Martin d’Hères - Rapporteur
Abdelaziz BENALLEGUE, Professeur des Universités, à l’Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines/Laboratoire d’Ingénierie et des Systèmes de Versailles (LISV) - Velizy - Directeur de thèse
Abdelhafid EL HADRI, Maître de Conférences, à l’Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines/Laboratoire d’Ingénierie et des Systèmes de Versailles (LISV) - Velizy - Co-Encadrant de thèse
Yacine CHITOUR, Professeur des Universités, à l’Université Paris-Sud 11/Laboratoire des Signaux et Systèmes (L2S) - UMR8506 - Gif/Yvette - Examinateur
Mustapha HAMERLAIN, Directeur de Recherche, au Centre de Développement des Technologies Avancées (CDTA) - Alger (Algérie) - Examinateur
Pascal MORIN, Professeur des Universités, à l’Université Pierre et Marie Curie/Institut des Systèmes Intelligents et de Robotique (ISIR) - UMR 7222 - Paris - Examinateur
Kamel REMILI, Directeur de Recherche, au Centre de Recherche et Développement de Réghaia - Alger (Algérie) - Invité
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