Commande d'un minidrone à hélice carénée : de la stabilisation dans le vent à la navigation autonome

The design of autonomous navigation strategies for ducted fan unmanned aerial vehicleshas now become an important research area. Those small vehicles, able to perform stationaryflight, are of great interest for military and civilian applications. The robustness to wind perturbationsis the main challenge of those vehicles. Due to the low Reynolds number and theatypical shape of the body, the characterization of the aerodynamic forces applied to ducted fanrotorcrafts is still a difficult problem. Therefore, it is important to estimate those efforts on-linein order to counter them in control. After a modelling step, we extract a cascade structure ofthe system in order to perform nonlinear control design based on backstepping techniques. Wepropose a hierarchical controller separated in a high-level position control and a low level attitudecontrol. Before implementing this control on the vehicle, we have to retrieve the position andattitude from the measurements of the sensors. We develop nonlinear filtering techniques on thespecial orthogonal group to estimate attitude. We also perform IMU/GPS hybridazition to estimatethe position. The estimated state is used in the feedback control to ensure hovering flight.In a last part, we complete the control scheme to perform autonomous navigation of the vehicleamidst obstacles. The efficiency of the method is illustrated by simulations and experiments ledon the ducted fan VTOL UAV HoverEye developped by Bertin Technologies.A l'heure actuelle, les projets d'utilisation de drone de petites tailles à capacité de vol stationnairepour des missions d'observation dans des environnements urbains se multiplient. Lescontraintes d'encombrement et de confinement des pales pour la sécurité des utilisateurs ont remisau goût du jour l'utilisation de véhicules à hélices carénées. L'enjeu majeur de ces minidrones estla résistance au vent. Cependant, leur forme atypique et les faibles nombres de Reynolds associéssont à l'origine de phénomènes aérodynamiques dont la caractérisation fine reste un problèmelargement ouvert. Il est donc nécessaire de développer des stratégies de commande estimant cesefforts en ligne pour pouvoir les contrer. Après une étape de modélisation, nous mettons enévidence une structure chaînée propice à une architecture de contrôle en cascade, combinant uncontrôle en position de haut niveau et un contrôle en attitude de bas niveau. Mais proposer une loide commande pour le maintien à poste ne suffit pas. Encore faut-il, pour pouvoir l'implémenterdans le calculateur, disposer des informations de position et d'attitude pour le contrôle en bouclefermée. Nous proposons des techniques de filtrage pour reconstituer l'état du drone à partir desmesures capteurs. Notre contribution porte sur deux aspects : la conception d'estimateurs nonlinéaires dans l'espace des matrices orthogonales pour la restitution d'attitude d'une part, et lanavigation inertielle hybridée d'autre part. Après avoir fermé la boucle "Observation-Contrôle",nous nous intéressons au problème de la navigation en présence d'obstacle. L'efficacité des méthodesproposées est verifiée par des simulations et des expérimentations menées sur le minidroneà hélice carénée HoverEye développé par la Société Bertin Technologies