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

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

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

2. Attitude Deux systèmes de coordonnées : Equations cinématiques: : 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

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

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

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

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

3.2 Actionneur rotor Théorème de Bernoulli: gouverne

Vol horizontal

Dynamique longitudinale Vol horizontal Angle de dérive Portance Trainée

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

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

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

4. Loi de commande Commande d’altitude

4. Loi de commande Commande d’attitude Définition :

4. Loi de commande Commande d’attitude Point d'équilibre asymptotique stable Point d'équilibre instable

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

Trajectoire de la position désirée et adaptée (sans dépassement)

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

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

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

Stabilisation Angle de tangage

BLDC moteur BOOSTER10-1600L (2x) 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: Universal Asynchronous Receiver Transmitter DMA : Direct Memory Access CAN : Controller Area Network Pilote Station Sol

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.

Résultats expérimentaux

Résultats expérimentaux Décollage Autonome

Résultats expérimentaux Atterrissage Autonome

Résultats expérimentaux Perturbation des couples

Résultats expérimentaux Rotation de l’angle de lacet 360°

5. Perspectives et axes de recherche prévus Temps Objectif Principal 7/2010 Test du vol horizontal manuel. 8/2010 Test complet sur une trajectoire de vol : Décollage, vol vertical, transition vers l’horizontale, vol horizontal, transition vers la verticale et atterrissage. 6/2010 – 8/2011 Concevoir et tester un nouveau prototype : Un avion de configuration classique auquel on installe 4 rotors qui ont la possibilité de pivoter. Au décollage, les 4 rotors fonctionnent comme un quadri-rotor et pendant la transition les rotors sont basculés vers l’avant pour propulser l’avion. 9 - 11/2011 Rédaction de la thèse et soutenance 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. PUBLICATIONS EFFECTUEES [1]. Duc Anh 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 »

Merci de votre attention

la manœuvrabilité des véhicules à voilure tournante (hélicoptères): 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

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.