Contributions to the automatic control of aerial vehicles

Contributions au contrôle automatique de véhicules aériens

Minh Duc Hua (1)

1 AROBAS - Advanced Robotics and Autonomous Systems

The control of underactuated vehicles has received increasing interests in relation with various robotic applications. This thesis focuses more specifically on the general problem of automatic control of aerial vehicles, and in particular of Vertical Take-Off and Landing vehicles. The contributions of this work is twofold. Firstly, this work sets the foundations of a general control approach for a large family of thrust-propelled underactuated vehicles in order to stabilize reference trajectories either in thrust direction, velocity, or position. The basic modeling assumption is that the vehicle is propulsed via a thrust force along a single body-fixed direction and that it has full torque actuation for attitude control. Motivated by robustness issues, a novel nonlinear integrator technique is proposed allowing to compensate for modeling errors and perform robustly against external perturbations. Secondly, we propose two novel attitude estimation algorithms, based on measurements provided by a GPS and an IMU embarked on the vehicle. The proposed methods make use of the measurement of the linear velocity to estimate the vehicle's acceleration, and improves significantly the precision of the estimated attitude, especially in the case of important accelerations.

Le contrôle automatique de véhicules sous-actionnés suscite depuis de nombreuses années un grand intérêt pour des applications diverses et variées. Cette thèse est consacrée au problème général du contrôle automatique de véhicules aériens, en particulier des véhicules à décollage et atterrissage vertical. Ce travail présente deux contributions théoriques. La première contribution concerne le développement d'une approche de commande générique pour une large classe de véhicules sous-actionnés. Cette approche exploite la structure d'actionnement commune à la plupart de véhicules conçus par l'homme, à savoir une seule commande en poussée dans une direction privilégiée du véhicule et un actionnement complet de la dynamique de rotation. La méthode de synthèse est conçue de façon incrémentale afin de traiter différents modes opérationnels: stabilisation de la direction de poussée, de la vitesse, ou de la position du véhicule. Une nouvelle technique d'intégrateur non-linéaire est proposée afin de garantir un comportement robuste vis-à-vis de perturbations extérieures ou d'erreurs de modèle. La seconde contribution concerne deux nouvelles méthodes d'estimation d'attitude du véhicule à partir de mesures fournies par une centrale inertielle et de mesures GPS. Les solutions proposées utilisent la mesure de vitesse linéaire pour estimer l'accélération du véhicule, et améliorent significativement la précision de l'attitude estimée, notamment en cas d'accélérations importantes du système.

Mots clés: Feedback control; Attitude estimation; Underactuated vehicles; VTOL UAV; System modeling; Robustness; Nonlinear anti-windup integrator

Mots clés: Commande par retour d'état; Estimation d'attitude; Véhicule sous-actionné; Véhicule à décollage et atterrissage vertical; Modélisation; Robustesse; Intégrateur anti-windup nonlinéaire

Domaines: Automatique / Robotique; Traitement du signal et de l'image [eess.SP]

Minh Duc Hua. Contributions to the automatic control of aerial vehicles. Automatic. Université Nice Sophia Antipolis, 2009. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00460801v2⟩