Commande non linéaire hiérarchique d'un drone de type quadrotor sans mesure de la vitesse linéaire

Le quadrotor est parmi les drones multi-rotors les plus connus dans la recherche, en raison de la simplicité de sa structure, son faible coût, et sa capacité d’effectuer des vols stationnaires, et d’atterrir et décoller verticalement. Malgré une complexité moindre de cet engin, la commande d’un tel système nécessite une attention particulière, puisque ce système est fortement non linéaire, multi-variable, couplé et sous actionné. Ce mémoire propose alors un contrôleur non linéaire pour être en mesure de stabiliser le quadrotor en vol. Un des scénarios qui doit être effectué par le quadrotor est la navigation autonome. En effet, la mise en oeuvre d’une telle mission nécessite la mesure des états du véhicule. Cependant certains de ces états peuvent être non accessibles, en plus les mesures des capteurs sont souvent affectées par les bruits extérieurs. Dans ce mémoire on s’intéresse au cas où la mesure de la vitesse linéaire n’est pas disponible pour la réalisation d’une loi de commande. Pour ce faire, une modélisation a été réalisée selon la formulation de Newton-Euler, par la suite la synthèse du contrôleur hiérarchique a été effectuée sur ce modèle, tel que le contrôleur de position implique un filtre non linéaire pour l’estimation de vitesse linéaire, et le contrôleur d’attitude est de type backstepping conçu avec des fonctions barrières de Lyapunov. Le choix des paramètres de ce régulateur a été basé sur l’analyse de la stabilité lorsque celle-ci est possible. La validation du contrôleur proposé a été effectuée en simulation sur plusieurs manoeuvres, puis une analyse a été faite à la fois sur le contrôleur hiérarchique simple et avec intégrale pour tester sa robustesse vis à vis des perturbations externes

Nonlinear and Fault-tolerant Control Techniques for a Quadrotor Unmanned Aerial Vehicle

Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have become more and more popular, and how to control them has become crucial. Although there are many different control methods that can be applied to the control of UAVs, nonlinear control techniques are more practical since the nonlinear features of most UAVs. In this thesis, as the first main contribution, three widely used nonlinear control techniques including Feedback Linearization Control (FLC), Sliding Mode Control (SMC), and Backstepping Control (BSC) are discussed, investigated, and designed in details and flight-tested on a unique quadrotor UAV (Qball-X4) test-bed available at the Networked Autonomous Vehicles (NAV) Lab in Concordia University. Each of these three control algorithms has its own features. The advantages and disadvantages are revealed through both simulation and experimental tests. Sliding mode control is well known for its capability of handling uncertainty, and is expected to be a robust controller on Qball-X4 UAV. Feedback linearization control and backstepping control are considered a bit weaker than sliding mode control. A comparison of these three controllers is carried out in both theoretical analysis and experimental results under same fault-free flight conditions. Testing results and comparison show the different features of different control methods, and provide a view on how to choose controller under a specific condition. Besides, safety and reliability of UAVs have been and will always be a critical issue in the aviation industry. Fault-Tolerant Control (FTC) has played an extremely important role towards UAVs’ safety and reliability and the safety of group people if an unexpected crash occurred due to faults/damages of UAVs. Therefore, FTC has been a very active and quickly growing research and development field for UAVs and other safety-critical systems. Based on the use of sliding mode control technique, referred to as Fault-Tolerant SMC (FT-SMC) have been investigated, implemented, flight-tested and compared in the Qball-X4 test-bed and also simulation environment in both passive and active framework of FTC in the presence of different actuator faults/damages, as the second main contribution of this thesis work