A generalized framework for robust nonlinear compensation (application to an atmospheric reentry control problem)

Ce travail de thèse est consacré à l'extension de l'Inversion Dynamique non-linéaire (NDI-Nonlinear Dynamic Inversion) pour un ensemble plus grand de systèmes non-linéaires, tout en garantissant des conditions de stabilité suffisantes. La NDI a été étudiée dans le cas de diverses applications, y compris en aéronautique et en aérospatiale. Elle permet de calculer des lois de contrôle capables de linéariser et de découpler un modèle non-linéaire à tout point de fonctionnement de son enveloppe d'état. Cependant cette méthode est intrinsèquement non-robuste aux erreurs de modélisation et aux saturations en entrée. En outre, dans un contexte non-linéaire, l'obtention d'une garantie quantifiable du domaine de stabilité atteint reste à l'heure actuelle complexe. Contrairement aux approches classiques de la NDI, notre méthodologie peut être considérée comme un cadre de compensation non-linéaire généralisé qui permet d'intégrer les incertitudes et les saturations en entrée dans le processus de conception. En utilisant des stratégies de contrôle antiwindup, la loi de pilotage peut être calculée grâce à un simple processus en deux phases. Dans ce cadre de travail généralisé des transformations linéaires fractionnaires (LFT - Linear Fractional Transformations) de la boucle fermée non-linéaire peuvent être facilement déduites pour l'analyse de la stabilité robuste en utilisant des outils standards pour de systèmes linéaires. La méthode proposée est testée pour le pilotage d'un véhicule de rentrée atmosphérique de type aile delta lors de ses phases hypersonique, transsonique et subsonique. Pour cette thèse, un simulateur du vol incluant divers facteurs externes ainsi que des erreurs de modélisation a été développé dans Simulink.This thesis work is devoted to extending Nonlinear Dynamic Inversion (NDI) for a large scale of nonlinear systems while guaranteeing sufficient stability conditions. NDI has been studied in a wide range of applications, including aeronautics and aerospace. It allows to compute nonlinear control laws able to decouple and linearize a model at any operating point of its state envelope. However, this method is inherently non-robust to modelling errors and input saturations. Moreover, obtaining a quantifiable guarantee of the attained stability domain in a nonlinear control context is not a very straightforward task. Unlike standard NDI approaches, our methodology can be viewed as a generalized nonlinear compensation framework which allows to incorporate uncertainties and input saturations in the design process. Paralleling anti-windup strategies, the controller can be computed through a single multichannel optimization problem or through a simple two-step process. Within this framework, linear fractional transformations of the nonlinear closed-loop can be easily derived for robust stability analysis using standard tools for linear systems. The proposed method is tested for the flight control of a delta wing type reentry vehicle at hypersonic, transonic and subsonic phases of the atmospheric reentry. For this thesis work, a Flight Mechanics simulator including diverse external factors and modelling errors was developed in Simulink.TOULOUSE-ISAE (315552318) / SudocSudocFranceF

Méthodologie de conception d'un système d'assistance au pilotage, application à l'aéronautique civile (sécurisation des phases d'approche et d'atterrissage)

Au-delà de la question essentielle de la sécurité opérationnelle, les événements anormaux durant les phases d'approche et d'atterrissage comme les atterrissages durs, les touchés de queue et les sorties de piste affectent la fluidité du trafic aérien, les coûts d'exploitation des compagnies aériennes et la satisfaction des clients. Par une approche intégrant les techniques de guidage et les facteurs humains, l'enjeu de la thèse est de proposer un système d'assistance au pilotage visant à mieux anticiper une situation à risque ou en sortir lors de la phase finale de vol. Nous avons cherché à identifier les voies d'amélioration de la sécurité des opérations à travers une revue des systèmes existants, des entretiens avec les pilotes et l'étude des procédures standards et des événements anormaux. Cette phase d'exploration de la problématique de sécurité nous a poussé à approfondir la notion d'indicateur de l'activité de pilotage en développant une classification des indicateurs génériques. Soulignant l'aspect méthodologique de la synthèse, l'application des concepts génériques à des scénarios à risque a abouti à la conception et la simulation de huit indicateurs précurseurs de risque. Ensuite, nous avons défini une fonction d'assistance au pilotage cohérente avec le besoin de prévention des sorties de piste en nous appuyant sur deux précurseurs en particulier. Le premier, la Hauteur de Stabilisation en Energie doit assurer une détection anticipée des cas de stabilisation trop tardive du vol en approche. Le second, la Marge de Retard à l'Atterrissage, tient compte de l'ensemble des paramètres en approche et à l'arrondi et donne une mesure objective de la criticité de l'atterrissage. Par la suite, la thèse a permis d'établir les performances et la robustesse des algorithmes. Enfin, nous nous sommes attachés à poursuivre les travaux jusqu'à une phase d'expérimentations d'un prototype d'assistance au pilotage en privilégiant le concept de Marge de Retard à l'Atterrissage.TOULOUSE-ISAE (315552318) / SudocSudocFranceF