Contribution to the architecture, modeling, and control of an aerial manipulator arm

Les véhicules aériens sans pilote (UAV), de plus en plus utilisés pour différentes applications militaires comme civiles, ont la possibilité de se déplacer dans un environnement 3D en coordonnées cartésiennes pour assister l'homme, inspection des zones cibles ou bien photographier. Parmi ces missions, certaines nécessitent une interaction avec l'environnement comme par exemple la manipulation d'objet en vol. Pour satisfaire ce type de mission, la thèse a permis de choisir et concevoir un double système composé d'un bras manipulateur attaché à la base d'un multirotor. Le problème majeur émanant de cette nouvelle structure concerne la faculté à stabiliser le système simultanément avec un changement permanent de son inertie dû au mouvement du manipulateur. Dans ce manuscrit, une nouvelle conception de manipulateur aérien est proposée, capable de stabiliser le système avec la mise en œuvre d'une articulation prismatique pour agir sur le centre de gravité du système global tout en le maintenant le plus proche possible de l'axe vertical. Une contribution complémentaire a permis de présenter une nouvelle classification des systèmes de manipulation aérienne basée sur une formule symbolique, capable de définir le type et le nombre de multirotors et de manipulateurs utilisés au sein de la structure mécanique. Un nouvel algorithme de calcul des solutions du modèle géométrique inverse, basé sur une approche analytique, est ainsi développé et comparé à des algorithmes itératifs issus de la littérature. Le modèle dynamique du système global est obtenu à l'aide d'outils mathématiques symboliques et de fonctions développées dans ce projet. Deux approches de modélisation, couplées et découplées, sont développées. La partie contrôle-commande est conçue en utilisant trois lois de commande pour un système couplé et appliquées sur différents scénarios, chacun se composant de multiples couches (planification de trajectoire, couche interne de contrôle de position et d'attitude, bloc de contrôle d'entrée virtuelle). L'efficacité de l'articulation prismatique est étudiée et examinée pour différentes valeurs d'angles des articulations du bras manipulateur. Trois approches d'interaction de l'organe terminal du bras robotisé avec l'environnement sont implémentées et simulées. Une étude de cas et l'application du module d'impédance de contrôle sont simulées. Finalement, les approches et méthodes mises en œuvre sont validées à l'aide d'un prototype virtuel dans l'environnement SimMechanics où une interface utilisateur graphique GUI est conçue pour manipuler et visualiser le système lors de scénarios programmés, montrant ainsi l'apport des contributions principales de la thèse.Unmanned aerial vehicles (UAVs), progressively used by different military and commercial tasks, have the possibility to move in a 3D environment in Cartesian coordinates to assist humans, inspect dangerous areas or photography. Some of these missions require contact with the environment, such as handling objects in flight. In order to accomplish this kind of mission, that thesis made it possible to consider and design a dual system consisting of a manipulator arm connected to the base of a multirotor. The main problem resulting from this new structure involves the ability to stabilize the mechanism concurrently with a permanent change in its inertia due to the movement of the manipulator. In this manuscript, a new concept of the aerial manipulator is proposed, capable of stabilizing the system with the implementation of a prismatic joint to operate the center of gravity of the whole system while keeping it as close as possible to the vertical axis. A further contribution in this study, when a new classification of aerial manipulation systems based on a symbolic formula is introduced, capable of specifying the type and number of multirotors and manipulators used within the mechanical structure. A new algorithm for calculating the solutions of the inverse geometric model, based on an analytical approach, is thus developed and compared to iterative algorithms presented in the literature. The dynamic model of the overall system is obtained by the use of symbolic mathematical tools and functions developed in this project. Two modeling methods, coupled and decoupled, have been introduced. The control part is designed for a coupled system using three control laws and applied to various scenarios, each consisting of multilayer blocks (trajectory planning, internal layer of position and attitude control, control block of virtual entry). Different values of the angles of the manipulator arm joints are analyzed and tested for the efficiency of the prismatic joint. Three approaches to the interaction of the end organ of the robotic arm with the environment are implemented and simulated. A case study and the application of the control impedance module are simulated. Finally, the approaches and methods implemented in this thesis are validated using a virtual prototype in the SimMechanics environment, where a graphical user interface GUI is designed to manipulate and visualize the system during programmed scenarios, thus demonstrating the interest of the main thesis contributions