Modelado, control y navegacion para el vuelo autonomo de dirigibles
Résumé
The aims of this thesis are the development of a dynamic model for the LAAS's Karma and los Andes University's UrAn airships, the elaboration of a set of base control laws of speed, altitude and heading in cruise flight, and optimal path planning and its pursuit. This work has been done within the framework of cooperation between the INSA of Toulouse and De los Andes University - Colombia. On the INSA side, this work has been made principally in the Robotic and Artificial Intelligent group of LAAS/CNRS, within the COMETS project. The LAAS robot was already equipped with sensors, an onboard CPU and radiofrequency links as FM and Ethernet whereas a radio-operated airship has been bought by De los Andes University to the Minizzep society. Then, instrumentation and on board CPU with Ethernet radio link have been installed. The first part of the document presents a mathematical model of the blimp dynamics. The analytic description of the model has been deduced from a dynamic and aerodynamic study. In a first time, the model parameters have been taken from precedent work based on wind tunnel experiments. Next to that, an identification of aerodynamic parameters of the grand model and also simplified models (called control model) were made with classical techniques and the Kalman filter as parametric estimator. A third part is devoted to the formulation of control strategies (PID, GPC and non-linear control by extended linearization principally), based on the decoupling of the velocity, the longitudinal and lateral dynamics. When this base controls are formulated, an approach to optimal planning based on the optimal control theory is presented. Two extensions to the initial model of path planning are proposed and their solutions are computed with numerical methods. A control for the following of the generated trajectory has been developed and is presented in the fourth chapter. These different control strategies have been validated by numerous simulation tests with and wit hout wind. The speed and altitude controllers have been tested in the real airship structure (UrAn).
Cette thèse concerne l'élaboration d'un modèle dynamique pour des ballons dirigeables, la conception de lois de commande pour l'asservissement de la vitesse, de l'altitude et du cap dans le vol de croisière, et la planification de chemins optimaux ainsi que leur contrôle de leur exécution. Ce travail a été réalisé dans le cadre d'une convention de cotutelle entre l'INSA de Toulouse - France et l'Université de los Andes à Bogotá - Colombie. La première partie du travail concerne la détermination du modèle mathématique de la dynamique du dirigeable. Le modèle analytique a été obtenu à partir d'une étude mécanique et aérodynamique. Les paramètres du modèle ont été repris dans un première temps d'un travail précèdent, basé sur des expérimentations effectuées en soufflerie. Ensuite, l'identification des coefficients aérodynamiques du modèle complet et des modèles réduits (sous-modèles de commande), a été réalisée avec des techniques classiques et le filtre de Kalman comme estimateur paramétrique. Dans une deuxième partie, des stratégies de commandes ont été étudiés (principalement PID, GPC et commande non-linéaire de type premier ordre) basées sur un découplage de la vitesse de déplacement et des dynamiques relatives aux plans de navigation latéral et longitudinal. Ensuite, les asservissements de bas niveau ont été établis et une approche de la planification de chemins optimaux a été effectuée avec la théorie de la commande optimale et le géométrie. Deux extensions du modèle initial pour la planification ont aussi été proposées et résolues par des méthodes numériques. Une boucle de haut niveau assurant l'asservissement de la trajectoire planifiée a été développée. Ces différents résultats ont été validés par de nombreux tests en simulation, avec et sans vent, et les asservissements en vitesse, cap et altitude on été évalués sur les ballons UrAn à Bogotá et Karma à Toulouse.