Avion convertible à décollage et atterrissage vertical

1. Avion convertibleà décollage et atterrissage vertical Directeurs de thèse:Rogelio LOZANO Isabelle FANTONI-COICHOT Présenté par TA Duc Anh

2. Plan 1. Introduction 2. Attitude 3. Avion convertible 4. Loi de commande – Résultats de simulation 5. Résultats expérimentaux 6. Perspectives et axes de recherche prévus

3. 1. Introduction 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

4. 2. Attitude Deuxsystèmes de coordonnées : : le repère fixe dans l’espace : le repère attaché au corps Equations cinématiques: : Matrice de rotation : Vitesse angulaire du repère par rapport au repère Singularité lorsque

5. Quaternion Matrice de rotation: Multiplication de deux quaternions  Erreur d’attitude

6. 3. Avion convertible 3.1 Forces et Couples Aérodynamiques 3.2 Actionneur 3.3 Structure mécanique

7. 3.3 Structure mécanique Equations de mouvement : Avion Convertible Force et couple issus des actionneurs

8. Vol vertical Hypothèses: • La traînée négligeable • force aérodynamique fournie par la déflection des gouvernes • aucun vent latéral Vitesse de flux d’air issue des hélices

9. 3.2 Actionneur rotor Théorème de Bernoulli: gouverne

10. Vol horizontal

11. Dynamique longitudinale Vol horizontal Angle de dérive

12. 3.1 Forces et Couples Aérodynamiques Portance: : masse volumique de l’air : vitesse de l’air : surface de référence sur l’aile : coefficient de portance

13. 3.1 Forces et Couples Aérodynamiques Traînée: : coefficient de traînée : coefficient constant de la traînée parasite Couple de Tangage :

14. Chemin du vol longitudinal • Décollage et atterrissage autonome • Stabilisation • Vol vertical semi-autonome • Transition • Vol horizontal manuel

15. 4. Loi de commande Commande d’altitude

16. 4. Loi de commande Commande d’attitude Définition :

17. 4. Loi de commande Commande d’attitude

18. Générateur de trajectoire • Stabilisation: • Vol vertical semi-autonome: • Décollage et atterrissage autonome • Transition • Vol horizontal manuel Une simple trajectoire – le profil trapézoïdal de vitesse

19. Trajectoire de la position désirée et adaptée (sans dépassement)

20. Résultats de simulation Figure 1 - Chemin du vol longitudinal Figure 2 - Altitude

21. 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

22. 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

23. Stabilisation Angle de tangage

24. Système Embarqué Central Inertielle 3DM-GX3™-25 (Microstrain) I2C UART - DMA BLDC moteur BOOSTER10-1600L (2x) Driver I2C YGE30i (2x) I2C Ultrason SRF08 PPM PPM UART - DMA dsPIC33FJ256GP710 (Microchip) Récepteur Servo Moteur (3x) CAN ZigBee 2.4GHz IEEE 802.15.4 2.4GHz Modules Supplémentaires PPM: Pulse Position Modulation I2C: Inter Integrated Circuit UART: UniversalAsynchronousReceiverTransmitter DMA : Direct Memory Access CAN : Controller Area Network Pilote Station Sol

25. 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.

26. Résultats expérimentaux

27. Résultats expérimentaux Décollage Autonome

28. Résultats expérimentaux Atterrissage Autonome

29. Résultats expérimentaux Perturbation des couples

30. Résultats expérimentaux Rotation de l’angle de lacet 360°

31. 5. Perspectives et axes de recherche prévus 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. PUBLICATIONSEFFECTUEES [1]. DucAnh 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 »

32. Merci de votre attention

33. Avion convertible à décollage et atterrissage vertical • 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 Avion Convertible Stabilisation du vol stationnaire

34. Avion convertible à décollage et atterrissage vertical 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.