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.

Abstract

Quadrotors are cost-effective and agile aerial robotic platforms. Numerous applications are possible with these robots like mines exploration or search and rescue operations. Nevertheless, these missions require navigating through cluttered and unpredictable environments. The vehicle used for these operations must be able to avoid newly located obstacles fast while travelling at high speeds for time critical missions. Quadrotors are underactuated systems and therefore limited in their overall maneuvers because they need to tilt their whole body before accelerating in a direction. Also, conventional controllers used with these systems don't predict the behavior of the vehicle during a trajectory by using the systems dynamics which prevents them from planning diligently complex maneuvers. In this context, the main objective of this master thesis is to mitigate these two limitations by developing a quadrotor able to tilt his motors thrust to accelerate faster and to use a predictive controller for the trajectory tracking problem. Specifically, a modification to the conventional quadrotor mechanical system is proposed by adding a single actuator to enable aggressive motions in a single axis. Then, an ILQR, which is a predictive controller and does not require parameter optimization, is developed. The latter is a state- dependent controller who behaves as a nonlinear controller by considering the known updated state of the vehicle to solve the optimal control problem. First, the dynamic model of the quadrotor with tilting motors is found. Then, a control law based on a cascade control scheme with a loop for the translational dynamics regulated by an ILQR controller and another loop for the rotational dynamics with a PD controller is implemented. Afterwards, the proposed solution is tested in simulations and compared with conventional approaches in terms of mechanical design and control. Trajectory tracking error is reduced by more than 1483% with the tilting motors modification having a superior impact on performance. Finally, an experimental prototype is designed with standard electronic and mechanical pieces available off-the-shelf. The difference between the conventional design and the quadrotor with tilting motors is studied on this custom-made quadrotor on aggressive trajectories. The error has decreased by more than 26% by adding an actuator while in simulation for the same trajectory this error decrease by 38% which indicates that the same trend is maintained.