Contribution à la modélisation et à la commande d'un drone miniature

Abstract

الملخص (بالعربية) :

كوادركوبتر هو روبوت طائر, ينتمي إلى عائلة الطائرات المتعدد المحركات. يتميز الكوادركوبتر بعدة خصائص )بنية ميكانيكية ذات حجم منخفض ، وزن منخفض ، خفة حركة ، انقلاب عمودي ، هبوط افقي( ، مما يميزها عن أنواع الروبوتات الطائرة الأخرى. ومع ذلك ، على الرغم من كل هذه المزايا ، فإن كوادكوتر لديه نموذج ديناميكي غير خطي ومترابط بشكل قوي ، وبالتالي فإن هذا النوع يحتاج الى متحكم فعال و مستقر.هذه الأطروحة تدور حول النمذجة والتحكم في روبوتات الطيران ، وتحديدا كوادركوبتر.

الهدف الرئيسي من العمل الحالي هو تصميم نموذج رياضي قادرعلى توقع سلوك الروبوتات الطائرة بأربعة محركات )كوادكوبتر( باستعمال متحكم من نوع PID .حيت P يعتمد على الأخطاء الحالية ؛ Iعلى تراكم أخطاء الماضي ، و D التنبؤ بالأخطاء المستقبلية مع اعتماد استراتيجية بسيطة. في هذا الصدد ، قمنا بوضع نموذج رياضي محاكي لحركة الطائرة باستعمال معادلات نيوتن أويلر لديناميكية الجسم الصلبة. من أجل تبسيط خوارزمية التحكم ،اعتمدنا على الفرضيات التالية )تجاهل تاثير خفق شفرة المحرك وسرعة السوائل المحيطة على النموذج (. هذا التبسيط يجعل النموذج مرنًا ويسمح بسهولة تصميم المتحكم ليكون أكثر كفاءة دون الحاجة إلى حساب مكلف.في هذا العمل يتم تنفيذ المحاكاة باستخدام برنامج ماتلاب.

Résumé (Français et/ou Anglais) :

Abstract : The quadrotor is a flying robot. It belongs to the Multirotors family. The quadrotor has several characteristics (mechanical structure of reduced size, reduced weight, agility, vertical takeoff and landing), which gives several advantages over other types of flying robots. However, despite all the advantages, the quadrotor has a dynamic model that is strongly non linear and fully coupled, hence the requirement of a robust and stable control. This thesis is about modeling and controlling flying robots, specifically a quadrotor.

The main objective of the present work is to design a mathematical model to estimate the behavior of flying robots with four motors (quadcopters) controlled by three algorithms; P depends on the present errors; I on the accumulation of past errors, and D a prediction of future errors (PID controller design) with simple strategy. In this regard, a governing equation of motion based on Newton Euler's formularies for rigid body dynamics is presented. In order to design the control algorithm some assumptions are made such as the ignorance of the blade flapping, surrounding fluid velocities. This exclusion of parameters makes the model flexible, simple, and allows the control to be more efficiency and easy to designed without the need of expensive computation. The simulation studies are carried out using MATLAB program.

Résumé : Le quadrotor est un robot volant faisant partie de la famille des multirotors. Il possède plusieurs caractéristiques (une structure de taille réduite, faible poids, agilité, décollage et atterrissage vertical) qui lui offrent plusieurs avantages par rapport à d’autres types de robots volants. Mais malgré tous ses avantages, le quadrotor possède une dynamique fortement non linéaire et pleinement couplée, d’où la nécessité d’une commande robuste et stable. Cette thèse porte donc sur la modélisation et la commande de robot volant de type quadrotor.

L'objectif principal du présent travail est de concevoir un modèle mathématique pour estimer le comportement des robots volants à quatre moteurs (quadcoptères) contrôlés par trois algorithmes; P dépend des erreurs présentes; I sur l'accumulation des erreurs passées, et D une prédiction des erreurs futures (conception du contrôleur PID) avec une stratégie simple. À cet égard, une équation régissant le mouvement basé sur les formulaires de Newton Euler pour la dynamique du corps rigide est présentée. Afin de concevoir l'algorithme de contrôle certaines hypothèses sont faites telles que l'ignorance du battement de la lame, les vitesses du fluide environnantes. Cette exclusion des paramètres rend le modèle flexible, simple et permet au contrôle d'être plus efficace et facile à concevoir sans avoir besoin de calculs coûteux. Les études de simulation sont réalisées à l'aide du programme MATLAB.