Conception d'un quadrirotor à rotors inclinables pour le suivi de trajectoires agressives

Les quadrirotors sont des plateformes robotiques aériennes peu coûteuses et agiles. Plusieurs applications sont envisageables avec ces robots tels que l'exploration des mines ou les opérations de reconnaissance et sauvetage. Ces missions nécessitent de naviguer dans des environnements encombrés et imprédictibles. Le véhicule utilisé doit pouvoir éviter rapidement des obstacles tout en circulant à haute vitesse. Le quadrirotor étant sous-actionné est limité dans son agressivité puisqu'il doit s'incliner avant d'accélérer. De plus, les contrôleurs conventionnels utilisés ne prédisent pas le comportement qu'aura le véhicule durant la trajectoire en utilisant sa dynamique ce qui l'empêche de planifier assidument les manœuvres complexes. Dans ce contexte, l'objectif principal de ce mémoire est de s'affranchir de ces deux limitations en développant un quadrirotor capable d'incliner ses moteurs pour accélérer plus rapidement et d'utiliser un contrôleur prédictif pour le suivi de trajectoire. Plus spécifiquement, une modification au design conventionnel du quadrirotor est proposée par l'ajout d'un seul actuateur pour permettre des manœuvres agressives dans un seul axe. Puis, un ILQR qui est un contrôleur prédictif sans optimisation numérique, est développé. Celui-ci tient compte de l'état à jour du quadrirotor pour la linéarisation et la résolution du problème de contrôle optimal. En premier lieu, le modèle dynamique du quadrirotor à moteurs inclinables est présenté. Puis, une loi de contrôle basé sur un schéma de contrôle en cascade avec une boucle régulant la dynamique en translation à l'aide d'un ILQR et une autre la dynamique en rotation avec un régulateur PD sont implémentées. Ensuite, la solution proposée est testée en simulation et comparée aux approches conventionnelles tant en termes de conception mécanique qu'en asservissement. L'erreur en suivi de trajectoire est diminuée de plus de 1483% avec un impact supérieur de l'ajout de l'inclinaison des moteurs. Enfin, un prototype expérimental est conçu avec des pièces électroniques et mécaniques standards et largement accessibles. La différence entre le design conventionnel et le quadrirotor à moteurs inclinables est étudiée sur des trajectoires agressives. L'erreur diminue de plus de 26% avec l'ajout d'un actionneur alors qu'en simulation pour la même trajectoire l'erreur diminue de 38% ce qui indique que la même tendance est conservée.