Improvement of Pitch Motion Control of an Aircraft Systems

The movement of the aircraft pitch is very important to ensure the passengers and crews are in intrinsically safe and the aircraft achieves its maximum stability.The objective of this study is to provide a solution to the control system that features particularly on the pitch angle motion of aircraft systemin order to have a comfort boarding. Three controllers were developed in these projects which wereproportional integral derivative (PID), fuzzy logic controller (FLC), and linear quadratic regulator (LQR) controllers. These controllers will help improving the pitch angle and achievingthe target reference. By improving the pitch motion angle, the flight will be stabilized and in steady cruise (no jerking effect), hence provides all the passengers withthe comfort zone. Simulation results have been done and analyzed using Matlab software. The simulation results demonstrated LQR and FLC were better than PID in the pitch motion system due to the small error performance. In addition, withstrong external disturbances, a single controller is unable to control the system, thus, the combination of PID and LQR managed to stabilize the aircraft

Stability of gain scheduling control for aircraft with highly nonlinear behavior

"The main goal of this work is to study the stability properties of an aircraft with nonlinear behavior, controlled using a gain scheduled approach. An output feedback is proposed which is able to guarantee asymptotical stability of the task-coordinates origin and safety of the operation in the entire flight envelope. The results are derived using theory of hybrid and singular perturbed systems. It is demonstrated that both body velocity and orientation asymptotic tracking can be obtained in spite of nonlinearities and uncertainty. The results are illustrated using numerical simulations in F16 jet.

Position Control of a Quadrotor under External Constant Disturbance

International audienceIn the present work, an adaptive backstepping algorithm is developed in order to counteract the effects of disturbances. These disturbances are modeled as a constant force in the translational model part and as a constant torque in the orientation model part. We make the deduction of the mathematical expression for the proposed control algorithm and also we show its performance in simulation. Additionally, we include some experiments for validating the results obtained via simulation

Estudio del efecto de ráfagas de aire sobre vehículos aéreos de múltiples rotores en túnel de viento.

En esta tesis se estudia el efecto que tienen las ráfagas de viento sobre el sistema de propulsión de los vehículos con múltiples rotores. Para este fin se ha diseñado, construido e instrumentado un banco de pruebas para pilotos automáticos con el objetivo de medir los principales efectos de las ráfagas de aire sobre vehículos de múltiples motores. El banco se adapta de manera fácil para operar en túnel de viento, permitiendo caracterizar los efectos de las ráfagas de aire sobre diferentes tipos de hélices (diferentes tamaños o con ciertas imperfecciones) en un ambiente controlado. El banco de pruebas está instrumentado de tal manera que es posible implementar sistemas de control y estudiar sus capacidades para rechazar los efectos de ráfagas de aire. Utilizando el banco antes descrito se realizan mediciones experimentales para caracterizar los efectos de la ráfaga de viento sobre un sistema de propulsión de dos rotores. Dichas mediciones sirven para proponer un modelo multivariado del sistema de propulsión. Finalmente, se presenta un ejemplo de aplicación del cálculo de la envolvente del sistema de propulsión utilizando el modelo propuesto

Shimizu–Morioka's chaos synchronization: An efficacy analysis of active control and backstepping methods

This research study inspects the effectiveness of synchronization methods such as active control and backstepping control from systematic design procedures of a synchronized Shimizu–Morioka system for the same parameter. It aimed to achieve synchronization between the state variables of two identical Shimizu–Morioka chaotic systems by defining the proposed varieties of the error dynamics coefficient matrix. Furthermore, this study also aimed to designed an active controller that enables the synchronization of these systems. The use of designed recursive backstepping nonlinear controllers was based on the Lyapunov function. Furthermore, it also demonstrated the stability of the synchronization of the nonlinear identical Shimizu–Morioka system. The new virtual state variable and establishment of Lyapunov functionals are used in the backstepping controller to stabilize and reduce errors between the Master (MS)/Drive (DS) systems. For comparison, the complexity of active controllers is verified to be such that the designed controller's effectiveness based on backstepping is attainable in engineering applications. Finally, numerical simulations are performed to demonstrate the effectiveness of the proposed synchronization strategy with the Runge–Kutta (RK-4) algorithm of fourth order through MatLab Simulink

Planification et commande d'une plate-forme aéroportée stationnaire autonome dédiée à la surveillance des ouvrages d'art

Today, the inspection of structures is carried out through visual assessments effectedby qualified inspectors. This procedure is very expensive and can put the personal indangerous situations. Consequently, the development of an unmanned aerial vehicleequipped with on-board vision systems is privileged nowadays in order to facilitate theaccess to unreachable zones.In this context, the main focus in the thesis is developing original methods to deal withplanning, reference trajectories generation and tracking issues by a hovering airborneplatform. These methods should allow an automation of the flight in the presence of airdisturbances and obstacles. Within this framework, we are interested in two kinds ofaerial vehicles with hovering capacity: airship and quad-rotors.Aujourd'hui, l'inspection des ouvrages d'art est réalisée de façon visuelle par des contrôleurs sur l'ensemble de la structure. Cette procédure est coûteuse et peut être particulièrement dangereuse pour les intervenants. Pour cela, le développement du système de vision embarquée sur des drones est privilégié ces jours-ci afin de faciliter l'accès aux zones dangereuses.Dans ce contexte, le travail de cette thèse porte sur l'obtention des méthodes originales permettant la planification, la génération des trajectoires de référence, et le suivi de ces trajectoires par une plate-forme aéroportée stationnaire autonome. Ces méthodes devront habiliter une automatisation du vol en présence de perturbations aérologiques ainsi que des obstacles. Dans ce cadre, nous nous sommes intéressés à deux types de véhicules aériens capable de vol stationnaire : le dirigeable et le quadri-rotors.Premièrement, la représentation mathématique du véhicule volant en présence du vent a été réalisée en se basant sur la deuxième loi de Newton. Deuxièmement, la problématique de génération de trajectoire en présence de vent a été étudiée : le problème de temps minimal est formulé, analysé analytiquement et résolu numériquement. Ensuite, une stratégie de planification de trajectoire basée sur les approches de recherche opérationnelle a été développée.Troisièmement, le problème de suivi de trajectoire a été abordé. Une loi de commande non-linéaire robuste basée sur l'analyse de Lyapunov a été proposée. En outre, un pilote automatique basée sur les fonctions de saturations pour un quadri-rotors a été développée.Les méthodes et algorithmes proposés dans cette thèse ont été validés par des simulations

Commande référencée vision pour drones à décollages et atterrissages verticaux

La miniaturisation des calculateurs a permis le développement des drones, engins volants capable de se déplacer de façon autonome et de rendre des services, comme se rendre clans des lieux peu accessibles ou remplacer l'homme dans des missions pénibles. Un enjeu essentiel dans ce cadre est celui de l'information qu'ils doivent utiliser pour se déplacer, et donc des capteurs à exploiter pour obtenir cette information. Or nombre de ces capteurs présentent des inconvénients (risques de brouillage ou de masquage en particulier). L'utilisation d'une caméra vidéo dans ce contexte offre une perspective intéressante. L'objet de cette thèse était l'étude de l'utilisation d'une telle caméra dans un contexte capteur minimaliste: essentiellement l'utilisation des données visuelles et inertielles. Elle a porté sur le développement de lois de commande offrant au système ainsi bouclé des propriétés de stabilité et de robustesse. En particulier, une des difficultés majeures abordées vient de la connaissance très limitée de l'environnement dans lequel le drone évolue. La thèse a tout d'abord étudié le problème de stabilisation du drone sous l'hypothèse de petits déplacements (hypothèse de linéarité). Dans un second temps, on a montré comment relâcher l'hypothèse de petits déplacements via la synthèse de commandes non linéaires. Le cas du suivi de trajectoire a ensuite été considéré, en s'appuyant sur la définition d'un cadre générique de mesure d'erreur de position par rapport à un point de référence inconnu. Enfin, la validation expérimentale de ces résultats a été entamée pendant la thèse, et a permis de valider bon nombre d'étapes et de défis associés à leur mise en œuvre en conditions réelles. La thèse se conclut par des perspectives pour poursuivre les travaux.The computers miniaturization has paved the way for the conception of Unmanned Aerial vehicles - "UAVs"- that is: flying vehicles embedding computers to make them partially or fully automated for such missions as e.g. cluttered environments exploration or replacement of humanly piloted vehicles for hazardous or painful missions. A key challenge for the design of such vehicles is that of the information they need to find in order to move, and, thus, the sensors to be used in order to get such information. A number of such sensors have flaws (e.g. the risk of being jammed). In this context, the use of a videocamera offers interesting prospectives. The goal of this PhD work was to study the use of such a videocamera in a minimal sensors setting: essentially the use of visual and inertial data. The work has been focused on the development of control laws offering the closed loop system stability and robustness properties. In particular, one of the major difficulties we faced came from the limited knowledge of the UAV environment. First we have studied this question under a small displacements assumption (linearity assumption). A control law has been defined, which took performance criteria into account. Second, we have showed how the small displacements assumption could be given up through nonlinear control design. The case of a trajectory following has then been considered, with the use of a generic error vector modelling with respect to an unknown reference point. Finally, an experimental validation of this work has been started and helped validate a number of steps and challenges associated to real conditions experiments. The work was concluded with prospectives for future work.TOULOUSE-ISAE (315552318) / SudocSudocFranceF

Nonlinear and robust control strategy to stabilize in real time a PVTOL aircraft exposed to crosswind

ASERInternational audienc

Nonlinear and robust control strategy to stabilize in real time a PVTOL aircraft exposed to crosswind

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