Commande adaptative d'un hélicoptère Tandem sans pilote à moteur quatre temps

Le développement d'applications utilisant des drones a grandement augmenté dans les dernières années. Ces drones, souvent des multicoptères, permettent par exemple de filmer des scènes avec des points de vue difficilement atteignables par d'autres moyens. Par contre, le transport d'équipements plus lourds demeure une tâche plus ardue et demande l'utilisation de drones plus puissants. Dans cette optique, le projet de recherche et de développement CARIC AUT703_TRL4+ répond à ce problème par la réalisation d'un hélicoptère tandem sans pilote. Cette configuration de rotors permet de transporter plus facilement des charges ayant différents gabarits pour différents centrages. Dans le cadre de ce projet CARIC, portant sur le drone LX300 de Laflamme Aéro Inc, le présent mémoire s'intéresse à la synthèse de différentes lois de commande. La première partie de ce projet porte sur l'asservissement du moteur afin de maintenir la vitesse des rotors constante durant le vol. Une approximation de la dynamique du moteur par moindres carrés a été obtenue à partir de données expérimentales. Basé sur cette estimation, une loi de commande proportionnelle intégrale (PI) a été retenue et implémentée sur la plateforme embarquée du drone. Une attention a été portée sur la flexibilité et la robustesse de la loi de commande, entre autres par l'ajout d'un mode "manuel". Après la validation du contrôleur, un moyen de déterminer la force fournie par le moteur est développée au moyen d'un modèle dynamique. Cette estimation se base sur les forces de traînée théoriques provenant des rotors. La seconde partie porte sur les lois de commande robustes du drone. Lors de précédents travaux, les lois de stabilisation en vol du drone LX300 ont été obtenues via une synthèse H1 structurée. Mais, suite à des limitations de l'autopilote retenu par la compagnie, il s'est avéré nécessaire d'apporter des modifications à l'architecture de la loi de commande, notamment par le positionnement de l'action proportionnelle des boucles PID sur le signal d'erreur. Une nouvelle synthèse H1 structurée est alors effectuée en considérant des gabarits fréquentiels supplémentaires sur le couplage entre états. Cette nouvelle loi de commande est ensuite évaluée sur un modèle non linéaire du drone et comparée avec la précédente architecture. Ces résultats démontrent les limitations de l'autopilote utilisé puisque l'on constate une diminution des performances possibles avec la nouvelle architecture. Finalement, pour déterminer les changements dans la dynamique en vol du drone, un loi de commande adaptative est développée. Cette loi de commande se base sur le contrôleur robuste précédemment trouvé et utilise une approche indirecte. La dynamique du drone est donc estimée en vol via un algorithme de moindres carrés récursifs stabilisés, et basé sur cette estimation les gains du contrôleur sont mis à jour. Afin d'obtenir les performances en vol désirées, les gains sont modifiés via un placement de pôles adaptatif sur le modèle linéarisé du drone en boucle fermée.

Abstract

The development in new drone applications has increased in the recent years. Often in a multicopter configuration, they allow for example to easily film viewpoints that would have been hard to reach otherwise. But, when it comes to carrying heavier equipments, a multicopter is often not adequate and a more powerful drone is needed. In this context, the CARIC AUT703_TRL4+ research and development project addresses this problem with the realization of a tandem helicopter drone. With this rotor configuration, the transportation of loads with different shapes and centerings is more easily achieved. Within this CARIC project, namely the LX300 drone of Laflamme Aéro Inc., work on different control laws has been done. The first part of this project focuses on the engine control to maintain constant rotor speed during flight. The engine dynamics are obtained by using a least squares approximation from experimental data. Based on this estimate, a proportional-integral control (PI) law was selected and implemented on an embedded platform. Attention was paid to the flexibility and robustness of the control law used, among others by including the addition of a "manual" mode. After the controller has been validated, a means of determining the force supplied by the motor is approached by the development of a dynamic model. This estimate is based on the theoretical drag forces coming from the rotors. The second part deals with the robust control laws of the drone. Previous results on the flight stabilization laws of the LX300 UAV have been obtained with a structured H1 synthesis. However, following the limitations of the autopilot chosen by the company, it has been proven necessary to make changes to the architecture of the control law, in particular by positioning the proportional action of the PID loops on the error signal. A new structured H1 synthesis is performed by considering additional frequency filters on interstate coupling. This new control law is then evaluated on a non-linear model of the drone and compared with the previous architecture. These results demonstrate the limitations of the autopilot used since there is a decrease in the available performance with the new architecture. Finally, to determine possible changes in the flight dynamics of the drone, an adaptive control law is developed. This control law is based on the previously found robust controller and uses an indirect approach. The dynamics of the drone is therefore estimated inline using a stabilized recursive least-squares algorithm (MCRS), and based on this estimate the controller's gains are updated. In order to obtain the desired flight performance, the gains are modified via an adaptive pole placement on the linearized model of the closed loop drone. The stability of the estimator is validated on the non-linear model of the drone, then the results of the control law are presented and analyzed.