Contribution à la synthèse de lois de pilotage et de guidage pour les minidrones

In recent years there has been a rapid growth in the application of miniature UAVs to monitoring our environment. The majority of this monitoring is for either ecological reasons or to provide improved security during times of natural disaster. A miniature UAV entrusted with a mission must follow either a pre-planned or a real-time defined trajectory. The ability of such a UAV to track the desired trajectory closely is critical. The main focus of this work is to contribute to the synthesis of guidance/piloting control laws which provide enhanced performance over an enlarged flight domain and mission set. From a control viewpoint, miniature UAVs represent often unstable, highly nonlinear dynamic systems, whose physical parameters are usually only partially known. They are also subject to strong atmospheric perturbations which provides further complications. In this respect, the work of this dissertation focuses on the synthesis of nonlinear control laws (feedback linearization, differentially flat control, backstepping) and their enhancement using adaptive control theory. The main case study of this dissertation is that of a quadrotor helicopter, a type of vehicle with an interesting flight envelope including : vertical takeoff and landing, stationary flight and, most importantly, maneuverability even at low speed. The flight dynamics of the vehicle have been modeled and the parameters of the model analysed in order to develop a control structure, the performance of which has been assessed using a number of simulations.Les applications mettant en oeuvre les minidrones ont connu un développement très rapide ces dernières années. Ces applications concernent pour beaucoup l'amélioration de notre cadre de vie et principalement de notre sécurité face à des aléas naturels pour lesquels de nouveaux moyens de surveillance ont besoin d'être mis au point. La plupart des missions confiées aux minidrones supposent la réalisation de trajectoires soit planifiées à l'avance, soit définies au fur et à mesure que de nouvelles informations sont disponibles. La qualité du suivi de trajectoire a d'importantes conséquences pour le succès de ces missions. L'objectif principal de cette thèse est de contribuer à la synthèse de lois de pilotage/guidage pour les minidrones présentant des performances améliorées sur un domaine de vol étendu et sur une panoplie de missions diversifiées. Ainsi les minidrones sont ici appréhendés comme des systèmes fortement non linéaires, très souvent naturellement instables, aux paramètres physiques partiellement connus et susceptibles d'être soumis à de fortes perturbations. Les travaux de cette thèse portent donc sur la synthèse de lois de commande non linéaire (commande non linéaire inverse, commande différentiellement plate, commande par \emph{Backstepping}) intégrant, dans le cadre de la commande adaptative, des processus d'apprentissage en ligne. Le principal cas d'étude considéré dans cette thèse est celui du guidage d'un minidrone de type quadrirotor qui présente des caractéristiques opérationnelles particulièrement intéressantes : atterrissage et décollage verticaux, capacité de vol stationnaire, grande manoeuvrabilité même à basse vitesse. Ainsi la dynamique de son vol a été modélisée et les propriétés mathématiques du modèle retenu ont été exploitées pour mettre au point la structure de commande dont les performances ont été évaluées par simulation sur une multitude de trajectoires de guidage