Academic literature on the topic 'Aéronefs – Commande automatique'

Cette thèse traite du contrôle des véhicules convertibles à poussée vectorielle. Elle développe et valide une solution de contrôle unifiée, applicable à une large gamme de régimes de vol, incluant le vol stationnaire, le vol de croisière, ainsi que les transitions entre ces phases. Le travail de recherche apporte trois contributions majeures dans ce domaine. La première contribution porte sur l'extension de la solution de contrôle au vol à basse vitesse, une zone où les méthodes de contrôle actuelles sont souvent inadéquates. Cela est accompli par l'introduction d'une stratégie spécifique pour le vol stationnaire, accompagnée d'une politique de contrôle dédiée à la gestion des transitions entre le vol stationnaire et le vol de croisière, et inversement. La deuxième contribution concerne l'estimation de la vitesse air, essentielle pour le contrôle dans toutes les phases de vol. L'observateur proposé, qui inclut également l'estimation de l'attitude, s'appuie sur les mesures de la sonde Pitot, ainsi que sur des données accélérométriques et gyroscopiques. Il combine les méthodes de synthèse des observateurs de Riccati et des filtres équivariants. Les conditions d'observabilité uniforme sont clairement identifiées et caractérisées, et les performances de l'observateur ont été évaluées à la fois sur des données simulées et réelles issues de vols expérimentaux. La troisième contribution se concentre sur l'implémentation pratique de cette solution de contrôle sur diverses configurations de drones convertibles, en tenant compte des exigences spécifiques des moteurs et des surfaces de contrôle pour chaque régime de vol. Les avancées théoriques sont validées par des simulations et des tests en vol, visant à obtenir des performances robustes sur différentes plateformes, y compris dans des conditions difficiles, comme les vents forts. Des expérimentations menées sur deux types de drones — l'un à rotors inclinables et l'autre à moteurs fixes — démontrent l'efficacité de l'approche dans des conditions réelles
This thesis addresses the control of convertible aerial vehicles with vectorized thrust. It presents a unified control solution designed to operate effectively across various flight regimes, including hovering, cruise, and the critical transitions between these phases. The research delivers three significant contributions to the field of aerospace control systems. The first contribution expands the scope of the control solution to include low-speed flight, a domain where traditional control methods often fall short. This is achieved by devising a tailored strategy for hovering, coupled with a control policy that manages the transition phases between hovering and cruise flight. This ensures smooth and efficient transitions, which is critical for operational flexibility and safety in real-world applications. The second contribution involves the estimation of the air velocity, a vital parameter for maintaining effective control throughout all flight phases. The proposed observer not only estimates this velocity but also provides robust attitude estimation. It utilizes data from the Pitot tube, accelerometers, and gyroscopes. The approach combines the Riccati observer framework with the equivariant filter designs. The uniform observability conditions required for the well-conditioning of the proposed observer are identified and characterized. The observer's performance and effectiveness have been tested and validated using realistic simulated data and data from real-world flight experiments, demonstrating its practical applicability and robustness. The third contribution focuses on the practical implementation of the control system across various drone configurations to provide a comprehensive solution that enhances the operational capabilities of convertible vehicles with vectorized thrust. It carefully considers each flight regime's specific motor actuation and control surfaces' requirements. The theoretical developments are validated through extensive simulations and real-world flight tests to achieve a robust control scheme with high performance. These tests are conducted under various conditions, including challenging environments with strong winds. Flight experiments performed on two different drone platforms—one with tiltable rotors and another with fixed motors—showcase the versatility and efficiency of the proposed control approach in handling diverse real-world scenarios

Cette thèse se place dans le contexte de la croissance soutenue du trafic aérien. Elle concerne l'assistance automatisée au contrôle du trafic aérien qui vise à augmenter la capacité des secteurs de contrôle en transférant à l'équipage certaines tâches de nos jours dévolues au contrôleur aérien. Il s'agit plus particulièrement de renforcer la coopération entre l'équipage et le contrôleur aérien en vue de faciliter la tache de régulation des flux de trafic aérien. Le travail réalisé dans cette thèse est relatif à la mise en oeuvre de techniques de commande des systèmes non linéaires à plusieurs échelles de temps. Il a été réalisé à l'initiative du Centre d'Etudes de La Navigation Aérienne (CENA) au LAAS du CNRS à Toulouse en collaboration avec l'Ecole Nationale de l'Aviation Civile (ENAC). De manière concrète, il consiste principalement en la synthèse et l'évaluation de lois de guidage permettant la navigation relative entre aéronefs. Ces lois de guidage pourraient être embarquées à bord des aéronefs afin d'aider le contrôleur aérien dans sa tâche de régulation des flux de trafic. Au chapitre II, nous commençons par présenter le contexte actuel du contrôle du trafic aérien et les voies actuelles d'investigation dans le domaine de son automatisation. Cette présentation permet de distinguer deux types de guidage relatif : d'une part le guidage relatif en temps où l'aéronef suiveur vient se placer sur la position qu'occupait le leader quelques minutes plus tôt, et d'autre part le guidage relatif en distance où l'aéronef suiveur vient se placer à une distance donnée du leader. Un état de l'art sur les lois de guidage relatif entre aéronefs est ensuite réalisé au chapitre III. Comme il existe très peu de références bibliographiques dédiées aux lois de commande pour le guidage relatif entre aéronefs de transport commercial, l'état de l'art s'est focalisé sur les lois de commande appliquées au vol en formation d'engins volants, dont le guidage relatif peut être considéré comme un cas particulier (il englobe en plus la phase de rejointe de la formation). Un modèle de synthèse décrivant la dynamique de guidage d'un avion de transport commercial dont les fonctions de pilotage sont automatisées est ensuite proposé au chapitre IV. Ce modèle permet une synthèse hiérarchisée de lois de guidage relatif en s'appuyant sur les fonctions de pilotage classique de l'avion. Après avoir envisagé l'utilisation de lois linéaires de type proportionnelle et dérivée et précisé les objectifs de commande en terme de spécification des modes propres au chapitre V, deux techniques de commande non linéaire sont alors mises en oeuvre : le backstepping et le bouclage linéarisant basé sur la propriété de platitude. Au chapitre VI, deux lois de guidage basées sur la technique du backstepping sont développées. Elles permettent de réaliser un guidage relatif en temps. L'utilisation de cette technique permet de contourner un problème de singularité des lois conçues par des méthodes de type bouclage linéarisant lorsque les écarts sont exprimés dans le repère lié à l'avion suiveur. La loi de guidage basée sur la propriété de platitude du modèle de synthèse est développée au chapitre VII. Elle permet de réaliser un guidage relatif en distance. L'intérêt de cette approche est qu'elle permet de tenir compte de la contrainte d'espacement entre les aéronefs afin de renforcer la sécurité des manoeuvres de guidage relatif. Ces trois approches (loi proportionnelle et dérivée, backstepping et bouclage linéarisant basé sur la platitude) sont évaluées dans un dernier temps au chapitre VIII sur un jeu de scenarii réaliste d'un point de vue contrôle du trafic aérien. Le chapitre IX apporte la conclusion générale à cette thèse : il fait le bilan des résultats obtenus et indique de nouvelles pistes d'investigation dans ce domaine.

L'appontage d'avions demeure aujourd'hui un exercice difficile dont la réussite conditionne l'efficacité d'un groupe aéronaval. Dans la marine française, des systèmes d'aide améliorent la perception du pilote durant l'appontage. Il n'existe cependant pas de système automatique qui permettrait l'emploi d'avions sans pilote sur porte-avions. Les travaux réalisés durant cette thèse ont donc pour objet un système d'appontage à l'aide d'un capteur de vision de l'avion. Utilisant les capteurs de l'aéronef, les différentes fonctions d'un tel système reposent sur la détection du porte-avions dans l'image initiale, son suivi au cours de la séquence et la commande de l'avion et de la tourelle de sa caméra. Cette étude propose des solutions pour ces fonctions en se basant sur les techniques de l'état de l'art. La détection du navire repose sur l'utilisation des capteurs de l'avion et d'une image de référence du porte-avions afin d'initialiser le suivi du porte-avions. Ce dernier est assuré par des algorithmes de suivi 3D basé modèle et de suivi 2D dense qui fournissent les mesures utilisées par la commande. La commande de l'avion par asservissement visuel repose sur des primitives visuelles contenues dans le plan image et dont les valeurs désirées restent constantes pour la trajectoire désirée. Les mouvements du porte-avions sont pris en compte à l'aide de la vision et la commande de la tourelle se base également sur des primitives visuelles. Les méthodes de vision sont validées sur des images réelles et des images provenant d'un simulateur réaliste. La commande est d'abord évaluée sans algorithme de vision afin de la caractériser. Enfin, l'ensemble de la chaîne est ensuite évaluée sur des simulations réalistes et montre son efficacité.

Pour synthétiser un correcteur robuste pour un système linéaire incertain, il existe de nombreuses méthodes linéaires. Cependant, bien souvent, le gain en robustesse se fait au détriment de la performance. Aussi, dans cette thèse, on s'intéresse à la situation où la plage des valeurs possibles des paramètres est "très grande" par rapport à la "faible" variation du niveau de performance souhaité. Dans cette situation, il peut alors s'avérer intéressant d'utiliser des correcteurs séquencés. Seulement, la mise en place de cette solution nécessite que le correcteur ait à sa disposition les paramètres sur lesquels il sera séquencé. Et il peut arriver que l'on ne souhaite pas (à cause de considérations de réalisation pratique), ou que l'on ne puisse pas disposer de la mesure de ces paramètres. On est alors amené à estimer ces paramètres et donc à utiliser le paradigme de la commande adaptative. Dans cette thèse, on cherche à proposer une méthodologie de synthèse d'un correcteur auto-adaptatif afin de résoudre un problème de commande robuste d'un procédé linéaire incertain. Après une étude théorique ayant pour objectif de proposer une telle méthodologie, le cas d'un avion instable est traité à titre d'application, permettant ainsi de mettre en évidence le bénéfice que la stratégie proposée peut apporter à la commande d'un système incertain
Many linear methods exist to design a robust controller for an uncertain linear system. This thesis considered the situation where the range of possible values of parameters is "very large" in relation to "small" variations in the desired level of performance. Frequently, an increase in robustness is obtained at the expense of a performance loss. The use of scheduled controllers may be an innovative way to address this problem. The implementation of this solution requires the controller has at its disposal the parameters on which the scheduling is done. However, it may occur that making the measure of the parameters available is not desired (for example, because of practical implementation aspects) or not possible. In these situations, the designer of the controller is led to estimate these parameters and then to use the paradigm of adaptive control. This thesis explored a methodology for designing an adaptive controller in which to solve the problem of robust control for an uncertain linear plant. A theoretical study was first undertaken which aimed to propose such a methodology; followed by, a study of the case of an unstable airplane as an application. Such an analysis highlighted the benefits that the proposed strategy can bring to the control for an uncertain plant

L'objectif principal du travail de recherche présenté dans ce mémoire est l'amélioration de la sécurité et les performances du vol des mini drones soumis à des perturbations atmosphériques. Pour ce faire, un couplage entre un estimateur ensembliste à erreurs bornées et une stratégie de guidage pilotage est mise en œuvre. L'estimateur ensembliste a été utilisé pour restituer l'état du modèle dynamique du drone en présence de perturbations et de bruits de mesure supposés bornés. L'utilisation de ces techniques avait pour objet tout d'abord de détecter l'occurrence d'une perturbation atmosphérique par estimation de l'état du drone puis d'estimer l'amplitude et la direction du vent agissant sur le véhicule. Des expérimentations dans le générateur de rafale B20 à Lille ont été ainsi présentées afin de valider ces approches et d'évaluer leurs performances. La stratégie de guidage pilotage développée favorise le déplacement du véhicule dans une direction qui tient compte de l'évolution de la perturbation atmosphérique et du prochain point de passage désigné au véhicule. Cette loi de guidage est basée sue la loi de guidage par navigation proportionnelle et a été adaptée pour tenir compte des perturbations dans le déplacement du véhicule. Les résultats obtenus montrent qu'il est possible d'améliorer la sécurité du vol des mini-drones en présence de perturbations atmosphériques transversales, en modifiant en ligne la trajectoire.

Le travail effectué au cours de cette thèse tente d’apporter des solutions algorithmiques à la problématique de reprise au décrochage d’un aéronef. A travers de nombreux exemples d’application sur des modèles aérodynamiques, le lecteur pourra appréhender les concepts abstraits présentés dans cette thèse. Alors que la capacité pour un aéronef à revenir à une situation nominale après une sortie du domaine de vol est un élément clé pour les systèmes de transport aérien du futur, les recherches menées dans ce cadre sont encore peu nombreuses. Pourtant,un tel dépassement conduit généralement à une perte de contrôle (dénommée LOC-I), que l’Association du Transport Aérien International (IATA) a classé dans la catégorie des « risques les plus élevés pour l’aviation ». Dans un premier temps, nous avons montré que les modèles polynomiaux habituellement utilisés en théorie des systèmes ne représentent pas fidèlement l’aérodynamique d’un modèle d’avion sur l’ensemble de son enveloppe de vol. Nous avons donc tout d’abord montré qu’un modèle polynomial par morceaux représente avec exactitude les coefficients aérodynamiques pour les angles d’attaque faibles et élevés. Nous avons alors pu étendre à cette classe de systèmes, récentes d’étude de bifurcation et d’analyse de stabilité qui utilisent des techniques de programmation semi-définie basées sur la positivité de polynômes (SOS); nous avons notamment appliqué ces résultats au modèle d’avion de transport générique dénommé GTM. Dans le même esprit, nous avons développé un modèle pour un petit aéronef à voilure fixe basé sur des simulations numériques en mécanique des fluides (CFD). Les coefficients dynamiques n’étant pas déterminés en CFD, nous avons identifié le coefficient d’amortissement du tangage en comparant l’analyse de bifurcation et les données de vol, ce qui nous a permis d’étudier à la fois la dynamique et la stabilité du vol en cas de fort décrochage.Des résultats antérieurs ont montré que les techniques SOS étaient prometteuses pour la certification des lois de commande pour des systèmes non-linéaires, cependant sans avoir été appliqués à l’ingénierie aéronautique. En adaptant ces techniques aux modèles polynomiaux par morceaux,nous avons montré qu’il est désormais possible de les utiliser d’une manière précise mais réalisable sur le plan calculatoire. Ensuite, nous avons synthétisé des lois de commandes linéaires et polynomiales pour la récupération d’un fort décrochage. En outre, nous sommes désormais en mesure d’estimer des régions d’attraction pour des modèles polynomiaux par morceaux; pour cela, nous avons proposé un algorithme amélioré pour l’analyse de stabilité locale des systèmes à commutation, tels que ceux qui sont définis par des splines, rendant ainsi notre travail disponible pour l’analyse et la certification futures de modèles d’avion très fidèles.La commande prédictive basée modèle (MPC) s’est avérée être une approche très efficace lorsque la dynamique du système est fortement non linéaire et soumise à des contraintes d’état qui rendent difficile la récupération après le décrochage. Cependant, pour des systèmes réalistes,il est nécessaire de prendre des précautions afin de prouver rigoureusement la stabilité en boucle fermée. En utilisant la technique SOS, nous avons ainsi montré la stabilité d’une stratégie de récupération d’un fort décrochage visant à minimiser la perte d’altitude. Nous avons aussi montré qu’une telle stratégie de commande permet la récupération d’une spirale infernale en utilisant le simulateur GTM.Les résultats de cette thèse sont donc prometteurs et fournissent de nouvelles approches théoriques pour la modélisation, l’analyse de stabilité et le contrôle de la dynamique des futurs aéronefs ainsi que pour le développement et la certification de systèmes de commande de vol visant a prévenir les accidents dus à la perte de contrôle
Upset flight dynamics are characterised by unstable, highly nonlinear behaviourof the aircraft aerodynamic system. As upsets often lead to in-flight loss-of-control (LOC-I) accidents,it still poses a severe threat to today’s commercial aviation. Contributing to almost everysecond fatality in civil aviation while representing merely 10% of the total accidents (both fataland nonfatal), the International Air Transport Association has classified LOC-I as the “highestrisk to aviation safety”. Considerable effort has been undertaken in response by academics,manufacturers, commercial airlines, and authorities to predict and prevent LOC-I events as wellas recover from upset conditions into the nominal flight envelope. As result, researchers fromboth aeronautical engineering and system theory have made significant contributions towardsaviation safety; however, approaches from engineering and theory are rather disparate. This thesistherefore focuses on the application and transfer of system theoretical results to engineeringapplications.In particular, we have found simple polynomial models for aircraft dynamics, despite commonin the system theoretical literature, failing to represent full-envelope aerodynamics accurately.Advanced fitting methods such as multi-variate splines, on the other hand, are unsuitable forsome of the proposed functional analysis methods. Instead, a simple piecewise defined polynomialmodel proves to be accurate in fitting the aerodynamic coefficients for low and high angles ofattack. State-of-the-art bifurcation analysis and analysis based on sum-of-squares programmingtechniques are extended for this class of models and applied to a piecewise equations of motionof the Generic Transport Model (GTM). In the same spirit, we develop a model for a small,fixed-wing aircraft based on static continuous fluid dynamics (CFD) simulations. In the lackof dynamic coefficients from CFD, we identify a pitch-damping model comparing bifurcationanalysis and flight data that predicts well dynamics and stability of deep-stall flight.Previous developments in sum-of-squares programming have been promising for the certificationof nonlinear dynamics and flight control laws, yet their application in aeronauticalengineering halted. In combination with piecewise polynomial modeling, we are able to re-applythis technique for analysis in an accurate but computationally feasible manner to verify stablerecovery. Subsequently, we synthesise inherently stable linear and polynomial feedback laws fordeep-stall recovery. We further extend the estimation of regions of attraction for the piecewisepolynomial model towards an improved algorithm for local stability analysis of arbitrary switchingsystems, such as splines, thus making our work available for future analysis and certificationof highly accurate algebraic models.With highly nonlinear dynamics and critical state and input constraints challenging upsetrecovery, model-predictive control (MPC) with receding horizon is a powerful approach. MPCfurther provides a mature stability theory contributing towards the needs for flight control certification.Yet, for realistic control systems careful algebraic or semi-algebraic considerationsare necessary in order to rigorously prove closed-loop stability. Employing sum-of-squares programming,we provide a stability proof for a deep-stall recovery strategy minimising the loss ofaltitude during recovery. We further demonstrate MPC schemes for recovery from spiral andoscillatory spin upsets in an uncertain environment making use of the well-known and freelyavailable high-fidelity GTM desktop simulation.The results of this thesis are thus promising for future system theoretic approaches in modeling,analysis, and control of aircraft upset dynamics for the development and certification offlight control systems in order to prevent in-flight loss-of-control accidents

En robotique mobile, la navigation à base de vision s'appuie traditionnellement sur des imageurs de type « caméra », dotés de plusieurs centaines de milliers de pixels. Le traitement de ces flux d'images nécessite une puissance de calcul qu'il serait aujourd'hui difficile d'embarquer à bord d'un micro-aéronef de quelques grammes ou dizaines de grammes. Il existe déjà quelques agents dont les performances de navigation en milieu inconnu sont inégalées et qui fonctionnent pourtant de tout autre façon. Les oiseaux et les insectes montrent une capacité inégalée à éviter les obstacles et à poursuivre leurs proies ou leurs congénères, une capacité qui découle de leur perception particulière de l'environnement. Des capteurs minimalistes originaux permettent aux insectes de percevoir efficacement l'environnement malgré leurs faibles capacités cognitives. Certains insectes comme la mouche améliorent encore leur perception de l'environnement en stabilisant leur système visuel grâce à un découplage tête-corps contrôlé par un réflexe inertiel équivalent au réflexe vestibulo-oculaire des mammifères. Cette stabilisation de la plate-forme visuelle est apparemment essentielle pour simplifier le traitement visuel et mettre en œuvre des stratégies de navigation efficaces. La thèse s'inspire largement de ces considérations biologiques et s'articule autour de deux axes : • un premier axe « capteur » qui prend appui délibérément sur un œil élémentaire (composé de seulement deux photorécepteurs, donc deux pixels). Nous avons d'abord amélioré les performances du capteur de flux optique inspiré de la mouche et construit au laboratoire. Puis nous avons proposé un principe de traitement visuel nouveau permettant la mesure très fine de la positon angulaire d'un bord contrasté. • un deuxième axe « réflexe visuo-inertiel » pour lequel nous avons développé un nouveau mini-robot aérien, appelé OSCAR 2. Equipé de notre nouveau capteur optique, OSCAR 2, qui ne pèse que 100 grammes, est capable de fixer du regard une cible visuelle stationnaire, et de poursuivre en lacet une cible mobile, en dépit des fortes perturbations aérodynamiques qu'on lui impose. Il préfigure les micro-véhicules aériens de demain, qui se dirigeront là où ils porteront leur regard
In mobile robotics, navigation based on vision use traditional imagers type "camera", with hundreds of thousands of pixels. The treatment of these flows of images requires a computing power that would be difficult today to embark on a micro-aircraft with a few grams or tens of grams. There are already some robotics agents whose performance navigation in unfamiliar surroundings are unparalleled and yet operate any other way. Birds and insects show a unique ability to avoid obstacles and to pursue prey or conspecifics, an ability that stems from their unique perception of the environment. The original minimalist sensors allow insects to perceive the environment effectively despite their low cognitive abilities. Some insects, like the fly, further improve their perception of the environment by stabilizing their visual system with a decoupling head-body controlled by an equivalent inertial vestibulo-ocular reflex in mammals. This stabilization of the visual platform is apparently essential to simplify the visual processing and implement strategies for effective navigation. The thesis is based largely on these biological considerations and based on two axes: • a first axis "sensor" that is deliberately builds around a basic eye (consisting of only two photoreceptors, thus two pixels). We first improved the performance of optical flow sensor inspired by the fly and built in the laboratory. Then we proposed a new principle of visual processing that permit measurement of very precise angular position of an edge contrast. • a second axis "visuo-inertial reflex" for which we have developed a new mini aerial robot called OSCAR 2. Equipped with our new optical sensor, OSCAR 2, which weighs only 100 grams, is capable of staring at a stationary visual target, and further tracking a moving target, despite strong aerodynamic disturbances imposed on its body. It prefigures the micro-air vehicles of tomorrow, who will head where they focus their gaze