Modélisation et commande d'un drone hélicoptère tandem

Depuis une quinzaine d'années, le domaine des drones est en plein essor, soutenu notamment par la recherche universitaire. Les drones prennent généralement la forme d'hélicoptères miniatures, de multicoptères, ou encore d'avions, selon les missions auxquelles ils sont destinés. Or, un intérêt grandissant pour le transport de marchandise se fait sentir pour leur usage commercial et industriel, une tâche que les drones actuels peinent à accomplir. C'est dans ce contexte qu'un projet de recherche et de développement, le projet CARIC AUT703_TRL4+, a vu le jour. Ce projet, regroupant des partenaires industriels et universitaires, a pour objectif de mettre au point un drone de type hélicoptère tandem. Cette configuration offre des avantages reconnus pour le transport de charge utile, incluant sa robustesse aux changements de masse, de centrage et d'inertie. Le présent mémoire aborde la modélisation et la commande du drone hélicoptère tandem considéré dans le cadre du projet CARIC, soit le LX300. La recherche effectuée a pour objectif de modéliser un hélicoptère tandem, une configuration souvent peu abordée dans la littérature, et de synthétiser un contrôleur à architecture fixe qui stabilise l'appareil sur l'ensemble de son enveloppe de vol tout en étant robuste aux variations causées par la charge utile. La modélisation du drone est d'abord traitée par une approche classique propre aux hélicoptères; cependant, une attention particulière est accordée à la modélisation de l'influence d'une charge utile décentrée, de l'interaction aérodynamique entre les deux rotors, et du design spécifique aux rotors de l'aéronef considéré. Une modélisation complète de la dynamique des rotors est réalisée afin de pouvoir simuler les comportements plus fins de ceux-ci, puis une simplification est appliquée afin de permettre l'équilibrage et la linéarisation du système. Cette simplification permet aussi d'obtenir des équations très proches de ce qui est présenté dans la littérature, avec pour différence les particularités apportées par la configuration tandem et l'aspect spécifique des rotors considérés. Par la suite, les boucles de stabilisation du drone sont synthétisées en assurant qu'elles soient robustes à des variations de masse, d'inertie et de centrage pour toutes les conditions de vol prévues. L'architecture du contrôleur étant imposée par la plateforme embarquée choisie, la méthode H1 structurée avec séquencement de gains est alors privilégiée afin d'atteindre les objectifs de performances et de robustesse.

Abstract

For the last fifteen years, the drone market has been booming, thanks in part to academic research. Drones can usually be found as miniature helicopters, multicopters, or planes, depending on the tasks they are expected to carry out. A task that today's drones struggle to accomplish is the transport of goods, which is receiving a growing interest from commercial and industrial sectors. It is in this context that the CARIC AUT703_TRL4+ research and development project was born. This project brings together industrial and academic partners in the aim to develop a tandem helicopter drone. This configuration offers recognized advantages for payload transport, including its robustness to weight, balance and inertia changes. This master's thesis covers the modelling and control of the tandem helicopter drone considered in the framework of the CARIC project, the LX300. The goal of this research is to model a tandem helicopter, a configuration that is often neglected in the literature, and to synthesize a fixed-structure controller that stabilizes the rotorcraft over its entire flight envelope while being robust to the variations caused by the payload. The modelling of the drone is first realized using a conventional approach for helicopters. However, particular attention is paid to the modelling of the influence of an unbalanced payload, the aerodynamic interaction between the two rotors, and the design specific to the rotors under consideration. The dynamics of the rotors is fully modelled in order to be able to simulate their finer behaviours, then a simplification is applied in order to allow the trimming and the linearization of the system. This simplification leads to equations that are very close to what is currently found in the literature, with the additions brought by the tandem configuration and by the unique rotors under consideration. The stabilization loops of the drone are then synthesized ensuring robustness to variations in weight, balance and inertia for all the expected flight conditions. Since the controller architecture is imposed by the selected embedded platform, the structured H1 method with gain scheduling is favoured in order to achieve the objectives of performance and robustness. This method being sensitive to the initial conditions, a multi-step approach is used in order to gradually increase the complexity of the problem to be solved. This approach also allows the validation of the selected requirements, before using them for the complete synthesis. The controller is finally validated on the complete nonlinear model, and then on a high fidelity simulator for different types of manoeuvres, according to the presented implementation.