Trajectory Generation for a Quadrotor Unmanned Aerial Vehicle

Le domaine des véhicules aériens sans pilote de type multicoptères a connu une progression substantielle au cours de la dernière décennie. La génération et le contrôle des trajectoires ont été au centre des préoccupations de ce nouveau domaine, avec des méthodes qui permettent d'exécuter des manoeuvres complexes dans l'espace. Plusieurs efforts ont été faits pour exécuter ces manoeuvres en utilisant la commande non linéaire, notamment la commande par platitude différentielle. Cependant, l'absence de théorie pour l'estimation des dérivées d'ordre supérieur a empêché l'application expérimentale de plusieurs de ces techniques. Ce travail explore tout d'abord l'approche par composition séquentielle pour l'exécution de manoeuvres à travers des fenêtres étroites. Cette technique implique la combinaison de plusieurs contrôleurs théoriquement simples afin de produire un résultat complexe. Les résultats expérimentaux réalisés dans le Laboratoire de Robotique Mobile et de Systèmes Automatisés à Polytechnique Montréal démontrent la validité de cette approche, en produisant des manoeuvres précises et répétables. Cependant, on atteint rapidement les limites d'une telle méthode dans les applications du monde réel, du fait de son manque de précision initiale et l'absence d'évaluation de faisabilité. Ce mémoire se concentre ensuite sur le développement d'une architecture d'estimation d'état basée sur le filtre de Kalman linéaire afin de fournir en temps réel des estimés des 2e et 3e dérivées de la position d'un quadricoptère (appelées respectivement accélération, et àcoup ou jerk). Des filtres de complexités différentes sont développés afin d'incorporer toute l'information disponible sur le système pour améliorer l'estimé résultant. On obtient alors un estimateur d'état complet qui utilise les mesures de position et d'accélération, ainsi que les entrées de commande, et fournit des estimés pour la rétroaction. Un contrôleur du jerk augmenté basé sur la théorie de la commande optimale est ensuite développé afin de valider cet estimateur. Il est conçu de façon à utiliser le jerk, l'accélération, la vitesse et la position du drone ; sans rétroaction de chacun de ces termes, le système est alors instable. Des tests sont effectués afin d'examiner les performances de l'estimateur et du contrôleur. Tout d'abord, le quadricoptère est chargé de suivre diverses entrées de référence dans l'espace pour assurer sa stabilité. Le contrôleur permet de suivre au plus près ces références, comme réalisé en simulation. Le contrôleur doit ensuite suivre un changement de référence afin d'évaluer la précision de l'estimateur développé. Les résultats montrent que l'estimation en temps réel du jerk suit adéquatement les valeurs hors ligne. Pour autant que nous le sachions, c'est la première mise en oeuvre dans le monde réel du retour de jerk pour contrôler un multicoptère.