Avion convertible à décollage et atterrissage vertical

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AVION CONVERTIBLEÀ DÉCOLLAGE ET ATTERRISSAGE VERTICAL

Directeurs de thèse: Rogelio LOZANO Isabelle FANTONI-COICHOT

Présenté par TA Duc Anh

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PLAN1. Introduction2. Attitude3. Avion convertible 4. Loi de commande – Résultats de simulation5. Résultats expérimentaux6. Perspectives et axes de recherche prévus

Objectif de la thèse Un drone combinant:

• la manœuvrabilité des véhicules à voilure tournante (hélicoptères):

l'avance lente, le décollage et l’atterrissage vertical• les performances d'un véhicule à voilure fixe (avions):

l'avance rapide, la longue portée et une endurance supérieure

Un avion convertible:• décollage/atterrissage vertical autonome• vol stationnaire (hover)• transition autonome vers un vol d’avancement rapide• pas de piste de décollage

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1. Introduction

4

Deux systèmes de coordonnées : : le repère fixe dans l’espace : le repère attaché au corps

Equations cinématiques:

: Matrice de rotation

2. Attitude

Eb b b bx y z

E f f f fx y z

R R

1 tan sin tan cos0 cos sin

sin cos0cos cos

x

y

z

E f

(3)R SOEb

: Vitesse angulaire du repère par rapport au repère

Singularité lorsque 2 c c s c c s s s s c c s

R s c c c s s s c s c s ss c s c c

· cos · ; · sio ·ù nc s : angle de roulis: angle de tangage: angle de lacet

5

Quaternion

1 2 3 0

2 30

0

0 0

où: et scalaircos

2 esin

2

1, , ,

T

TT T

qq

qeq q q q q

q q q q q q q q q

H

H

20 3 0( ) 2T TR R q q q q I qq q q

2 22 3 1 2 0 3 0 2 1 3

2 21 2 0 3 1 3 2 3 0 1

2 21 3 0 2 0 1 2 3 1 2

1 2 2 2

2 1 2 2

2 2 1 2

q q q q q q q q q q

R q q q q q q q q q q

q q q q q q q q q q

Matrice de rotation:

( ) ( )R q R q

Multiplication de deux quaternions Erreur d’attitude

0 0

0

1 1 21 2

21 3

1

1 1

e d d

Tq q qq q

qqq q q q

qq

I q

Erreur d'attitude = 0 0 1TT

eq

6

3. Avion convertible

3.1 Forces et Couples Aérodynamiques3.2 Actionneur3.3 Structure mécanique

7

3.3 Structure mécanique

,

,

: 1

( )

:

f b

bA

bT

A

T b

T

f F

p Rv

P v R g vm

R f q

R RAJ J

Equations de mouvement :

,

,

bA

A

bTA T

T TA

bFFF

1 2

2 1 2 1

0 0

0 ( )

TbT

TT m

F T T

Q Q T T l

Force et coupleissus des actionneurs

Avion Convertible

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Vol vertical

Hypothèses:• La traînée négligeable• force aérodynamique fournie par

la déflection des gouvernes• aucun vent latéral

2 av12

ec , , ,Psi i i iin

P Pi iCP S C i al arCv r

Vitesse de flux d’air issue des hélices

0 0 0 0

T Tb s s sA r al ar

Ts s s s sA al ar m al ar s r s

F P P P

P P l P P l P l

9

3.2 Actionneur

2

2

T bs

Q ks

Théorème de Bernoulli:

hélice

2in

Tv

A

2hélice héliceA R

gouverne

rotor

siP

10

Vol horizontal

airV V

0

T Tb

A

T

A s

b s b s s b br ar al

s s s s sar m ar s ral al

F

l

T P P P P T P

P P l P P l P

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Dynamique longitudinale

Angle d'attaque:

Angle de dérive

Vol horizontal

0 0

0 0

T Tb

A

T

A

b b s s b bar al

s sar sal

F T P P P T P

P P l

cos sin

sin cos

b

b

P P T

T P T

Portance Trainée

212

( )

P

P P

P V SC

C f

0

212

( )

T

T TT

T T

T V SC

C C C

C f

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3.1 Forces et Couples Aérodynamiques

212

PP V SC

: masse volumique de l’air: vitesse de l’air: surface de référence sur l’aile : coefficient de portance

quand 0 15P P

P PPC C C

C C

VS

PC

Portance:

13

212

TT V SC

TC

Traînée:

: coefficient de traînée

0T TTC C C : coefficient constant de la traînée parasite

0TC

Couple de Tangage :

3.1 Forces et Couples Aérodynamiques

2 12

mm V ScC

: Corde aérodynamique moyennec

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Chemin du vol longitudinal

- Décollage et atterrissage autonome- Stabilisation- Vol vertical semi-autonome- Transition- Vol horizontal manuel

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Commande d’altitude4. Loi de commande

sur l'axe z cos cos2

mz T mg

1 2

( )

cos cos2

d p dk z k z z mgT T T

1 2

( ) ( )Commande bornée :

cos co2

s

T p d d i dsat k z z k z k z z mgT T T

if ( )

( ) if

1 if 0( )

1 if 0

M

x x Msat x

Msign x x M

xsign x

x

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Commande d’attitude

1

2

3

0

0

2 10

x

y

z

s sx al ar m M x x e

s sy al ar s M y y e

z m M z z e

HP P l sat qq

HP P l sat qq

HT T l sat qq

1

if ( )

( ) if

1 if 0( )

1 i

, 0 , ,3

f 0

i

e

i

d

M

x x Msat x

M

q q q

sign x x

où i x y zM

M

xsign x

x

4. Loi de commande

0

0

0 0

00

) est une fonction:

- non-négatif sur 1,1

- s'annule seulement à 1 et/ou 1

- Lipschitz sur

(

1,1

H q

q

q q

Hqq

Définition :

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Commande d’attitude

4. Loi de commande

0Fonction )( :H qPoint d'équilibre

asymptotique stablePoint d'équilibre

instable0( )H q

01 q 0 1q 0 1q

0 1q 0 1q

0 1q

0 1q

0 1q

0 1q

01 q

01 q1

01 nq

0cos2

n q

0cos2q

0 00 ( ) 1 : 1Choisir H q qq

0 1

0 2

0 3

x

y

z

x M x x e e

y M y y e e

z M z z e e

sat sign q q

sat sign q q

sat sign q q

1 if 0( )

1 if 0x

sign xx

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Générateur de trajectoire- Stabilisation:

- Vol vertical semi-autonome:

- Décollage et atterrissage autonome- Transition

- Vol horizontal manuel

0 1 0 0 0 Td d d dq

10 ,10 ; 70 ,110 ; ,d d d dq

Une simple trajectoire – le profil trapézoïdal de vitesse

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Trajectoire de la position désirée et adaptée (sans dépassement)

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Résultats de simulation

Figure 1 - Chemin du vol longitudinal

Figure 2 - Altitude

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Figure 1 - Vitesse sur l'axe x Figure 2 - Vitesse sur l'axe z

Figure 3 - Angle de tangage Figure 4 - Vitesse de rotation de tangage

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Figure 1 - Angle d'attaque Figure 2 - Dans la période du vol horizontal

Figure 3 - Gouverne de l'aile principale Figure 4 - Vitesse de rotation de chaque rotor

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Stabilisation

Angle de tangage

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Système Embarqué

Station Sol

ZigBee 2.4GHz IEEE 802.15.4

Pilote

dsPIC33FJ256GP710(Microchip)

2.4GHz

Récepteur

Ultrason SRF08

Central Inertielle 3DM-GX3™-25(Microstrain)

Driver I2C YGE30i (2x) BLDC moteur BOOSTER10-1600L (2x)

Servo Moteur (3x)

PPM

PPM: Pulse Position ModulationI2C: Inter Integrated CircuitUART: Universal Asynchronous Receiver TransmitterDMA : Direct Memory AccessCAN : Controller Area Network

I2C

UART - DMA I2C

UART - DMA

PPM

ModulesSupplémentaires

CAN

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Système Embarqué

La station sol a été écrite en Visual C++, elle permet d’afficher à l’aide de graphiques tous les états du drone (s’ils sont disponibles) : consignes de l’attitude et l’altitude, angles actuels d’Euler, vitesses angulaires, vitesses de rotation des moteurs (ainsi que leur consigne), altitude actuelle, angles des ailerons et du gouvernail. Toutes ces données sont sauvegardées et horodatées dans un fichier lisible par Matlab afin de pouvoir redessiner les graphes de chaque essai. La station sol permet aussi de changer tout de suite les gains des lois de commandes embarquées, et de les sauvegarder dans la mémoire du microcontrôleur.

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Résultats expérimentaux

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Résultats expérimentaux

Décollage Autonome

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Résultats expérimentaux

Atterrissage Autonome

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Résultats expérimentaux

Perturbation des couples

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Résultats expérimentaux

Rotation de l’angle de lacet 360°

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5. Perspectives et axes de recherche prévus

Temps Objectif Principal7/2010 Test du vol horizontal manuel.8/2010 Test complet sur une trajectoire de vol : Décollage, vol vertical, transition vers

l’horizontale, vol horizontal, transition vers la verticale et atterrissage.6/2010 – 8/2011

Concevoir et tester un nouveau prototype : Un avion de configuration classique auquel on installe 4 rotors qui ont la possibilité de pivoter. Au décollage, les 4 rotors fonctionnent comme un quadri-rotor et pendant la transition les rotors sont basculés vers l’avant pour propulser l’avion.

9 - 11/2011

Rédaction de la thèse et soutenance

DIFFICULTES RENCONTREES : Une difficulté importante est que nous n’avons pas un bon pilote pour tester le vol horizontal, ces tests sont effectués par nous-mêmes.

PUBLICATIONS EFFECTUEES[1]. Duc Anh Ta, Isabelle Fantoni, Rogelio Lozano: Modeling and Control of a Convertible Mini-UAV, soumis à « IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems 2010 »

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Merci de votre attention

Un drone combinant:• la manœuvrabilité des

véhicules à voilure tournante (hélicoptères):

l'avance lente, le décollage et l’atterrissage vertical

• les performances d'un véhicule à voilure fixe (avions):

l'avance rapide, la longue portée et une endurance supérieure

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Avion Convertible

Stabilisation du vol stationnaire

AVION CONVERTIBLE À DÉCOLLAGE ET ATTERRISSAGE VERTICAL

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Chemin du vol longitudinal

Résultats: Vol stationnaire est achevé. Le vol horizontal et la transition sont en cours de réaliser.

Difficultés rencontrées : Une difficulté importante est que nous n’avons pas un bon pilote pour tester le vol horizontal, ces tests sont effectués par nous-mêmes.

AVION CONVERTIBLE À DÉCOLLAGE ET ATTERRISSAGE VERTICAL