Contribution à la Technique Géométrique pour la Commande d’un Quadrotor

Abstract

الملخص(بالعربية):

تتناول هذه الأطروحة النمذجة والتحكم في الروبوت الطائر، وخاصة رباعي المحركات. تم تطوير النموذج الديناميكي وكذلك طرق التحكم مباشرة على SO (3) (مجموعة متعامدة خاصة) وعلى SE (3) (مجموعة إقليدية خاصة)، على التوالي،للارتفاع والموقف. ما سمح لنا بتجنب التفرد والغموض المرتبطين بتمثيلات المواقف الأخرى، أثناء المناورات المعقدة للرباعي. في هذا السياق، تم اقتراح عنصر تحكم تتبع جديد؛ أطلقنا عليها اسم "التحكم Backstepping"الهندسي.هذا الأخير يضمن بساطة القوانين واستقرار السلوك. بالإضافة إلى ذلك، تسمح طريقة التحكم ذات الصلة هذه للطائرة بدون طيار بمتابعة مسارها، حتى في وجود اضطرابات داخلية وخارجية. لم يتم تقييم هذه التقنية فقط من خلال المحاكاة، ولكن أيضًا من خلال الاختبارات التجريبية في الوقت الفعلي على طائر ببغاء مامبو المصغر. تمت مقارنة النتائج مع تلك التي تم الحصول عليها بطرق أخرى وأثبتت كفاءتها. يجب أن نلاحظ أننا نجحنا في تنفيذ التحكم في خوارزمية المواقف لببغاء مامبو من خلال استبدال التحكم في موقف "الصندوق الأسود"، وهو الأمر الذي كان يتعذر الوصول إليه حتى وقت قريب. علاوة على ذلك، تمكنا من تنفيذ طريقة أخرى، من خلال إدخال التحكم في الأداء الديناميكي العالي من أجل زيادة ملاءمة المتانة. تم تقييم هذه التقنية أيضًا من خلال المحاكاة والتجريب في الوقت الفعلي. أثبتت النتائج كفاءتها وتفوقها فيما يتعلق بالموقف والسيطرة على الموقف ---------------------------------------------- Résumé (Français) :

Ce travail de thèse traite la modélisation et la commande d’un robot volant, en particulier le quadrotor. Le modèle dynamique ainsi que les méthodes de contrôles ont été directement développés dans les ensembles SO(3) (Special Orthogonal Group) et SE(3) (SpecialEuclidean Group) respectivement pour l’attitude et la position. Cela nous a permis d’éviter la singularité et l’ambigüité, associées à d’autres représentations d’attitude, lors de manœuvres complexes du quadrotor. Dans ce contexte, une commande sous le nom «Backstepping géométrique » a été proposée, tout en garantissant la simplicité des lois et la stabilité du comportement. Cette méthode de contrôle pertinente permet au drone de poursuivre sa trajectoire, même en présence de perturbations internes et externes. Cette technique a été évaluée non seulement par simulation mais aussi en temps réel par des tests expérimentaux sur Mambo parrotMinidrone. Les résultats obtenus ont été comparés, à ceux obtenus avec d’autres méthodes, et ont bien prouvé leur validité. Notez que nous avons réussi à implémenter notre algorithme de commande d'attitude dans le Mambo parrotMinidrone en remplaçant son propre algorithme (commande impédance), chose qui était inaccessible jusqu'à récemment. De plus, nous avons réussi à appliquer une autre méthode, en introduisant le contrôle Haute Performance Dynamique afin d'augmenter sa propriété de robustesse. Cette technique, elle aussi, été évaluée par expérimentation en temps réel. Les résultats ont prouvé son efficacité et sa supériorité en matière de contrôle d'attitude.

---------------------------------------------- Abstract (English) :

This thesis work deals with modelling and control of a flying robot, especially the quadrotor. The dynamic model as well as control methods have been directly developed on SO(3) (Special Orthogonal Group) and on SE(3) (Special Euclidean Group), respectively, for the attitude and the position. What allowed us to avoid the singularity and the ambiguity associated with other attitude representations, during complex maneuvers of the quadrotor. In this context, a new tracking control is proposed; we named it the “Backstepping geometric control”. This latter ensures the simplicity of the laws and the stability of the behavior. In addition, this pertinent method of control allows the drone to pursue its path, even in the presence of indoor and outdoor perturbations. This technique was not only evaluated through simulation, but also, through real time experimental tests on the Mambo parrot Mini-drone. The results were compared to those obtained with other methods and they have proven their efficiency. We should note that we succeeded to implement our attitude algorithm control for the Mambo parrot by replacing its “black box” attitude control, a matter that was inaccessible until recently. Moreover, we managed to perform another method, by introducing the High Dynamic Performance control in order to increase its robustness propriety. This technique, was, also, evaluated through simulation and experimentation in real time. The results proved its efficiency and superiority regarding the attitude and the position control.