Commande tolérante aux fautes pour multicoptères

De nos jours, les multicoptères sont largement utilisés dans plusieurs secteurs grâce à leur capacité à décoller et à atterrir verticalement, ainsi qu'à effectuer un vol stationnaire. Cependant,les défaillances de tels systèmes, surtout dans des conditions de navigation défavorables, peuvent avoir des conséquences sérieuses sur leur environnement et les êtres humains. Les multicoptères devraient donc posséder une capacité de tolérance aux fautes, notamment lors de la défaillance des moteurs, afin de garantir leur sˆureté de fonctionnement. Cette thèse consiste à développer un système de commande tolérante aux fautes (CTF) permettant à un multicoptère de poursuivre sa mission avec une performance adéquate en dépit des fautes. Dans la première partie de la thèse, l'approche CTF basée sur la synthèse robuste et l'autoséquencement de gains est proposée. La première solution consiste à paramétrer les gains de commande en fonction de la perte d'efficacité des actionneurs (PEA), fournie par un système de détection et de diagnostic de fautes. La synthèse H1 structurée permet alors d'intégrer les contraintes de performance et de robustesse, déduites du cahier des charges. Afin de faciliter le processus de synthèse, la deuxième solution consiste à paramétrer les gains avec la perte d'efficacité de commande virtuelle (PEV). La structure du contrôleur est alors plus simple et plus générale, de sorte qu'elle peut être mise en oeuvre sur différents types de multicoptères. Une combinaison de cette technique avec la ré-allocation de contrôle est également envisagée pour résoudre le même problème. Un tel correcteur est capable de tolérer les fautes sans modifier les lois de commande. Des tests expérimentaux sur un hexacoptère démontrent l'efficacité de ces lois de commande en rejetant de multiples défaillances critiques. La deuxième partie de cette thèse vise à la conception d'un système CTF générique qui peut être implanté sur la plupart des multicoptères traditionnels. Ce système se divise en deux boucles de commande : un correcteur interne qui génère la commande virtuelle normalisée pour le problème de suivi de trajectoire en présence de fautes et un correcteur adaptatif qui permet de rejeter certaines incertitudes du système et aussi d'adapter les contraintes de conception pour une plateforme spécifique. Afin d'améliorer la robustesse, la loi adaptative est augmentée d'une modification robuste basée sur l'opérateur de projection. Plusieurs simulations et tests expérimentaux ont alors été effectués sur différents multicoptères en utilisant un correcteur unique avec les mêmes paramètres constants. Dans le but de valider les lois de commande, une analyse de robustesse reposant sur les applications gardiennes est effectuée.

Abstract

The ability of multicopter unmanned aerial vehicles (UAVs) to perform vertical take-off and landing (VTOL) as well as stationary hover flight makes them intensively useful for various commercial and military applications. Due to the increasing requirement for high autonomy and safety, UAVs should possess a fault-tolerant ability to accommodate malfunctions during flight. The objective of this thesis is to design Fault-Tolerant Control (FTC) systems for a multicopter UAV subject to actuator faults and system uncertainties. In the first part of the thesis, FTC approaches based on gain-scheduling (GS) with structured H1 synthesis are proposed. The first solution is to parameterize the controller gains according to the loss of actuator effectiveness (LAE), given by an appropriate fault detection and diagnosis system. Then, the structured H1 synthesis allows to integrate the performance and robustness constraints, deduced from the specifications. In order to facilitate the tuning process, the second solution is to parameterize the gains with the loss of virtual control effectiveness (LVE). The controller structure is then simpler, and more general, so that it can be implemented on different types of multicopter UAVs. A combination of GS and control allocation (CA) technique is also considered to achieve FTC. Using a CA technique has the major benefit that it can deal directly with actuator faults without modifying the control laws. Experimental results performed on an hexacopter UAV show the effectiveness of these control laws by rejecting multiple critical failures. The second part of this thesis aims at the design of a generic FTC system that can be implemented on most traditional multicopters. The system consists of a two-loop control structure: an internal corrector that generates normalized virtual control inputs for the trajectory tracking problem in the presence of faults, and an adaptive corrector that allows to reject some uncertainties of the system and also to adapt the design requirements for a specific platform. In order to improve robustness, the adaptive law is augmented by a robust modification based on the projection operator. Several simulation and experimental tests were successfully performed on different multicopter UAVs using a single controller with the same constant parameters. In order to validate the control laws, a robustness analysis based on guardian maps is performed. The link between this analysis method and the structured singular value (SSV) is particularly studied. Thus, we propose novel necessary and sufficient conditions in terms of the SSV of a single constant matrix for uncertain systems with affine dependent parametric uncertainties as well as rational ones.