Un avion convertible

Report
Directeurs de thèse: Rogelio LOZANO
Isabelle FANTONI-COICHOT
Présenté par TA Duc Anh
1
2

•
la manœuvrabilité des véhicules à voilure tournante
(hélicoptères):

•
l'avance lente, le décollage et l’atterrissage vertical
les performances d'un véhicule à voilure fixe (avions):

l'avance rapide, la longue portée et une endurance supérieure

décollage/atterrissage vertical autonome
• vol stationnaire (hover)
• transition autonome vers un vol d’avancement rapide
• pas de piste de décollage
•
3
Deux systèmes de coordonnées :
E f   x f
E b   x b
yf
yb
z f  : le repère fixe dans l’espace
z b  : le repère attaché au corps
Equations cinématiques:
R    R
R  SO(3) : Matrice de rotation
b
 : Vitesse angulaire du E f repère
par rapport au repère E
 c c

R   s c
  s

 s c  c s s
c c  s s s
c s
où c· cos · ; s· sin ·
s s  c c s 

c s  c s s 

c c

 : angle de roulis
 : angle de tangage
 : angle de lacet

Singularité lorsque   
2


    1 tan  sin  tan  cos     x 
 
  


0
cos


sin

 y 
  
  
sin 
cos     z 
  0

cos 
cos  

4
 

cos

2   q0 
q
   H

 e sin   q 



2
où: q   q1
q2

q3  et q0 scalaire
T
H  q q02  q T q  1, q   q0
T
q T  , q0  , q 

R  R(q)   q02  qT q  I 3  2 qqT  q0 q 
R( q )  R( q )
 q10
q1  q2  
 q1

3


 1  2  q22  q32  2  q1 q2  q0 q3  2  q0 q2  q1 q3 


2
2
R   2  q1 q2  q0 q3  1  2  q1  q3  2  q2 q3  q0 q1  


2
2
 2  q1 q3  q0 q2  2  q0 q1  q2 q3  1  2  q1  q2  


  q2
 0
I 3 q10   q1    q2
q1T




qe  qd1  q  qd  q
Erreur d'attitude = 0  qe  1 0T 
T
5
3.1 Forces et Couples Aérodynamiques
3.2 Actionneur
3.3 Structure mécanique
6
Equations de mouvement :
 p f  Rv b

 : b
P v  RT g f  1 F b    v b

A,T
m

 R  f (q )

 :  R    R
A

 J     J    A,T
Avion Convertible
FAb,T  FAb  FTb
 A ,T   A   T
Force et 

couple

issus des
T
actionneurs 
FTb  T1  T2
 Q2  Q1
0 0
T
0 (T2  T1 )lm 
T
7
Hypothèses:
•
•
•
La traînée négligeable
force aérodynamique fournie
par la déflection des gouvernes
aucun vent latéral
 F b  0  P s P s  P s T  0 0 0T
r
al
ar 
 A 

T
s
s
s
s
s


 A   Pal  Par  lm  Pal  Par  ls Pr ls



1 2
Pi   vin Si CiP avec CiP  CiP i , i  al, ar, r
2
s
Vitesse de flux d’air
issue des hélices
8
T  bs
rotor
2
Q  ks
2
Théorème de Bernoulli:
vin 
Pi
2T
 Ahélice
Ahélice   R
2
hélice
s
gouverne
9
 F b   T b  P s P b  P s  P s  T   T b
r
ar
al 
 A 


T
 A   P s  Pars  lm  P s  Pars  ls Prs ls 
al
 al


b T
0 P 
Vair  V
10
Angle d'attaque:     
Angle de dérive
 F b   T b 0 Pb  P s  P s T   T b
ar
al 
 A 


T
 A  0  P s  Pars  ls 0 
al



P b  P cos   T sin 
T b   P sin   T cos 
b T
0 P 
Portance
1
P  V 2 SC P
2
C P  f P ( )
Trainée
1
V 2 SC T
2
C T  C T  C T0
T
C T  f T ( )
11
Portance:

P
1
V 2 SC P
2
: masse volumique de l’air
V : vitesse de l’air
S : surface de référence sur l’aile
C P : coefficient de portance
C P  C P  C P
C P  CP quand 0    15
12
Traînée:
1
T  V 2 SC T
2
C T : coefficient de traînée
C T  C T  C T0
C T0 : coefficient
constant de la
traînée parasite
Couple de Tangage :
1
m  V 2 ScC m
2
c : Corde aérodynamique moyenne
13
Chemin du vol longitudinal
- Décollage et atterrissage autonome
- Stabilisation
- Vol vertical semi-autonome
- Transition
- Vol horizontal manuel
14


sur l'axe z  mz  T cos     cos   mg
2

T  T1  T2 
Commande bornée : T  T1  T2 
kd z  k p ( z  zd )  mg


cos     cos 
2



satT k p ( z  zd )  kd z  ki  ( z  zd )  mg


cos     cos 
2

 x if x  M
satM ( x)  
 Msign( x) if x  M
1 if x  0
sign( x)  
1 if x  0
15
Définition :
H (q0 ) est une fonction:
- non-négatif sur q0   1,1
- s'annule seulement à q0  1 et/ou q0  1
- Lipschitz sur q0   1,1 
 x   P  P  lm   satM x
s
al
s
ar
H
q0




H
qe1 
 xx  
q0 



H
 y   Pals  Pars  ls   satM y  y y  
qe2 
q0




H
 z  T2  T1  lm   satM z  zz  
qe3 
q0


qe  qd1  q

où i ,   0 i   x, y, z
 M  3
 i
 x if x  M
satM ( x)  
 Msign( x) if x  M
1 if x  0
sign( x)  
1 if x  0
16
Fonction H (q0 ) :
H (q0 )
Point d'équilibre
asymptotique stable
1  q0
q0  1
q0  1
1  q0
q0  1
q0  1
1  q0
q0  1
1  q0
n 1
q 
cos  0 
 2 
q 
cosn  0 
 2 
q0  1
q0  1
q0  1
Point d'équilibre
instable
q0  1  Choisir : H (q0 )  1  q0
  

     sign  q  q 
     sign  q  q 
 x   satM x x x   sign qe0 qe1
 y   satM y
 z   satM z
y
z
y
z
e0
e0
e2
e3
1 if x  0
sign( x)  
 1 if x  0
17
Générateur de trajectoire
-
Stabilisation:
d   d   d  0  qd  1 0 0 0
Vol vertical semi-autonome:
d  10,10 ;d   70,110 ; d    ,    qd
Décollage et atterrissage autonome
Transition
T
Une simple trajectoire – le profil trapézoïdal de vitesse
-
Vol horizontal manuel
18
Trajectoire de la position désirée et adaptée (sans dépassement)
19
Figure 1 - Chemin du vol longitudinal
Figure 2 - Altitude
20
Figure 1 - Vitesse sur l'axe x
Figure 3 - Angle de tangage
Figure 2 - Vitesse sur l'axe z
Figure 4 - Vitesse de rotation de tangage
21
Figure 1 - Angle d'attaque
Figure 2 - Dans la période du vol horizontal
Figure 3 - Gouverne de l'aile principale
Figure 4 - Vitesse de rotation de chaque rotor
22
Stabilisation
Angle de tangage
23
Système Embarqué
Central Inertielle
3DM-GX3™-25
(Microstrain)
UART - DMA
I2C
Driver I2C YGE30i (2x)
BLDC moteur
BOOSTER10-1600L (2x)
I2C
Ultrason SRF08
PPM
PPM
Récepteur
dsPIC33FJ256GP710
(Microchip)
UART - DMA
CAN
2.4GHz
Pilote
Servo Moteur (3x)
ZigBee 2.4GHz IEEE 802.15.4
Modules
Supplémentaires
PPM: Pulse Position Modulation
I2C: Inter Integrated Circuit
UART: Universal Asynchronous Receiver Transmitter
DMA : Direct Memory Access
CAN : Controller Area Network
Station Sol
24
Système Embarqué
La station sol a été écrite en Visual C++, elle permet
d’afficher à l’aide de graphiques tous les états du drone (s’ils
sont disponibles) : consignes de l’attitude et l’altitude, angles
actuels d’Euler, vitesses angulaires, vitesses de rotation des
moteurs (ainsi que leur consigne), altitude actuelle, angles
des ailerons et du gouvernail. Toutes ces données sont
sauvegardées et horodatées dans un fichier lisible par Matlab
afin de pouvoir redessiner les graphes de chaque essai. La
station sol permet aussi de changer tout de suite les gains des
lois de commandes embarquées, et de les sauvegarder dans
la mémoire du microcontrôleur.
25
Résultats expérimentaux
26
Résultats expérimentaux
Décollage Autonome
27
Résultats expérimentaux
Atterrissage Autonome
28
Résultats expérimentaux
Perturbation des couples
29
Résultats expérimentaux
Rotation de l’angle de lacet 360°
30
Temps
7/2010
8/2010
Objectif Principal
Test du vol horizontal manuel.
Test complet sur une trajectoire de vol : Décollage, vol vertical, transition vers
l’horizontale, vol horizontal, transition vers la verticale et atterrissage.
6/2010 – Concevoir et tester un nouveau prototype : Un avion de configuration classique
8/2011 auquel on installe 4 rotors qui ont la possibilité de pivoter. Au décollage, les 4
rotors fonctionnent comme un quadri-rotor et pendant la transition les rotors sont
basculés vers l’avant pour propulser l’avion.
9Rédaction de la thèse et soutenance
11/2011
DIFFICULTES RENCONTREES : Une difficulté importante est que nous
n’avons pas un bon pilote pour tester le vol horizontal, ces tests sont effectués
par nous-mêmes.
PUBLICATIONS EFFECTUEES
[1]. Duc Anh Ta, Isabelle Fantoni, Rogelio Lozano: Modeling and Control of a Convertible
Mini-UAV, soumis à « IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems
2010 »
31
Merci de votre attention
32

•
la manœuvrabilité des
véhicules à voilure
tournante (hélicoptères):

•
l'avance lente, le décollage
et l’atterrissage vertical
Avion Convertible
les performances d'un
véhicule à voilure fixe
(avions):

l'avance rapide, la longue
portée et une endurance
supérieure
Stabilisation du vol stationnaire
33
Chemin du vol longitudinal
Résultats: Vol stationnaire est achevé. Le vol horizontal et la transition sont en
cours de réaliser.
Difficultés rencontrées : Une difficulté importante est que nous n’avons pas un
bon pilote pour tester le vol horizontal, ces tests sont effectués par nous-mêmes.
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