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Mod´ elisation et commande d’un robot biomim´ etique volant Hala Rifa¨ ı Sommaire Introduction Projets ailes battantes Projet OVMI Avantages Inconv´ enients Bilan Mod´ elisation Param´ etrisation des ailes Mod` ele simplifi´ e Mod` ele moyen Commande Attitude Position Robustesse Contributions Perspectives Mod´ elisation et commande d’un robot biomim´ etique volant Hala Rifa¨ ı gipsa-lab, D´ epartement d’Automatique Grenoble-FRANCE Jury de th` ese Pr´ esident M. Tarek HAMEL Professeur ` a l’universit´ e de Nice-Sophia-Antipolis, I3S Rapporteurs M. Pascal MORIN Charg´ e de recherche INRIA, Sophia-Antipolis M. Fr´ ed´ eric BOYER Professeur ` a l’´ ecole des Mines de Nantes, IRCCyN Examinateur M. St´ ephane VIOLLET Charg´ e de recherche CNRS, ISM Directeur de th` ese M. Mazen ALAMIR Directeur de recherche CNRS, gipsa-lab Co-directeurs de th` ese M. Nicolas MARCHAND Charg´ e de recherche CNRS, gipsa-lab Mme. Guylaine POULIN Charg´ e de recherche CNRS, Unit´ e Imagerie et Cerveau Hala Rifa¨ ı (gipsa-lab) Mod´ elisation et commande d’un robot biomim´ etique volant 06/11/2008 1 / 70

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

Hala Rifaı

Sommaire

Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Modelisation et commande d’un robotbiomimetique volant

Hala Rifaı

gipsa-lab, Departement d’AutomatiqueGrenoble-FRANCE

Jury de these

President M. Tarek HAMEL Professeur a l’universite de Nice-Sophia-Antipolis, I3SRapporteurs M. Pascal MORIN Charge de recherche INRIA, Sophia-Antipolis

M. Frederic BOYER Professeur a l’ecole des Mines de Nantes, IRCCyNExaminateur M. Stephane VIOLLET Charge de recherche CNRS, ISMDirecteur de these M. Mazen ALAMIR Directeur de recherche CNRS, gipsa-labCo-directeurs de these M. Nicolas MARCHAND Charge de recherche CNRS, gipsa-lab

Mme. Guylaine POULIN Charge de recherche CNRS, Unite Imagerie et Cerveau

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 1 / 70

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

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Sommaire

Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Sommaire

1 IntroductionProjets sur les drones a ailes battantesContexte du travail: Projet OVMIAvantages - Inconvenients du vol battuBilan de litterature et des contributions

2 Modele simple pour la commandeParametrisation du mouvement des ailesModele simplifie du drone a ailes battantesCalcul du modele moyen

3 Commande du drone a ailes battantesCommande de l’attitudeCommande de la position

4 Tests de robustesse

5 Contributions et Perspectives

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 2 / 70

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

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Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Sommaire

1 IntroductionProjets sur les drones a ailes battantesContexte du travail: Projet OVMIAvantages - Inconvenients du vol battuBilan de litterature et des contributions

2 Modele simple pour la commandeParametrisation du mouvement des ailesModele simplifie du drone a ailes battantesCalcul du modele moyen

3 Commande du drone a ailes battantesCommande de l’attitudeCommande de la position

4 Tests de robustesse

5 Contributions et Perspectives

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

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Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Projets sur les drones a ailes battantes

Universite de Berkeley -USA (1998)

MFI

Microrobotic FlyUniversite d’Harvard-

USA (2005)

Universite de Delft -Pays Bas (2005)

Delfly

Universite de Tokyo -BTO

Japon

ONERA - FranceRemanta

(2002-2006)

ANR - FranceOVMI

(2006-2008)

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Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Partenaires du projectProjet OVMI: Objet Volant Mimant l’Insecte

ANR Jeune Chercheur

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Introduction

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Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Partenaires du projectProjet OVMI: Objet Volant Mimant l’Insecte

ANR Jeune Chercheur

gipsa-lab (Grenoble)

Modelisation et commande

IEMN (Valenciennes, Lille)

Etude microelectronique

ONERA (Palaiseau)

Mecanique des fluides

SATIE (Cachan)

Energie

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Bilan

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Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Avantages - Inconvenients du vol battu

Avantages:

Grande manœuvrabilite

Faible consommation d’energie

Decollage et atterrissage verticaux

Vol stationnaire

Faible bruit

Discretion

Complexite du vol naturel

Limitations de reproduction technologique

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Avantages - Inconvenients du vol battu

Avantages:

Grande manœuvrabilite

Faible consommation d’energie

Decollage et atterrissage verticaux

Vol stationnaire

Faible bruit

Discretion

Complexite du vol naturel

Limitations de reproduction technologique

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Avantages:

Grande manœuvrabilite

Faible consommation d’energie

Decollage et atterrissage verticaux

Vol stationnaire

Faible bruit

Discretion

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Faible consommation d’energie

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Avantages:

Grande manœuvrabilite

Faible consommation d’energie

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Avantages:

Grande manœuvrabilite

Faible consommation d’energie

Decollage et atterrissage verticaux

Vol stationnaire

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Inconvenients:

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Avantages - Inconvenients du vol battu

Avantages:

Grande manœuvrabilite

Faible consommation d’energie

Decollage et atterrissage verticaux

Vol stationnaire

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Complexite du vol naturel

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Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Bilan de litterature et des contributions

Modelisation:

Approche complexe (Navier-Stokes)

Approche simple (simple representation des effortsaerodynamiques)

Commande lineaire (stabilite locale)

Commande par backstepping (reduite a certains axes)

Evitement d’obstacles (procedures par flux optique)

Modele tres simple pour la commande

Commandes bornees a faible cout de calcul

Stabilite globale du systeme

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Modele moyen

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ContributionsPerspectives

Bilan de litterature et des contributions

Modelisation:

Approche complexe (Navier-Stokes)

Approche simple (simple representation des effortsaerodynamiques)

Commande lineaire (stabilite locale)

Commande par backstepping (reduite a certains axes)

Evitement d’obstacles (procedures par flux optique)

Modele tres simple pour la commande

Commandes bornees a faible cout de calcul

Stabilite globale du systeme

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Modelisation:

Approche complexe (Navier-Stokes)

Approche simple (simple representation des effortsaerodynamiques)

Commande:

Commande lineaire (stabilite locale)

Commande par backstepping (reduite a certains axes)

Evitement d’obstacles (procedures par flux optique)

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Commandes bornees a faible cout de calcul

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Approche complexe (Navier-Stokes)

Approche simple (simple representation des effortsaerodynamiques)

Commande:

Commande lineaire (stabilite locale)

Commande par backstepping (reduite a certains axes)

Evitement d’obstacles (procedures par flux optique)

Modele tres simple pour la commande

Commandes bornees a faible cout de calcul

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Approche complexe (Navier-Stokes)

Approche simple (simple representation des effortsaerodynamiques)

Commande:

Commande lineaire (stabilite locale)

Commande par backstepping (reduite a certains axes)

Evitement d’obstacles (procedures par flux optique)

Modele tres simple pour la commande

Commandes bornees a faible cout de calcul

Stabilite globale du systeme

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Modelisation:

Approche complexe (Navier-Stokes)

Approche simple (simple representation des effortsaerodynamiques)

Commande:

Commande lineaire (stabilite locale)

Commande par backstepping (reduite a certains axes)

Evitement d’obstacles (procedures par flux optique)

Contributions:

Modele tres simple pour la commande

Commandes bornees a faible cout de calcul

Stabilite globale du systeme

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Commande:

Commande lineaire (stabilite locale)

Commande par backstepping (reduite a certains axes)

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Contributions:

Modele tres simple pour la commande

Commandes bornees a faible cout de calcul

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Approche complexe (Navier-Stokes)

Approche simple (simple representation des effortsaerodynamiques)

Commande:

Commande lineaire (stabilite locale)

Commande par backstepping (reduite a certains axes)

Evitement d’obstacles (procedures par flux optique)

Contributions:

Modele tres simple pour la commande

Commandes bornees a faible cout de calcul

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Commande

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Position

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ContributionsPerspectives

Sommaire

1 IntroductionProjets sur les drones a ailes battantesContexte du travail: Projet OVMIAvantages - Inconvenients du vol battuBilan de litterature et des contributions

2 Modele simple pour la commandeParametrisation du mouvement des ailesModele simplifie du drone a ailes battantesCalcul du modele moyen

3 Commande du drone a ailes battantesCommande de l’attitudeCommande de la position

4 Tests de robustesse

5 Contributions et Perspectives

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Position

Robustesse

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Degres de liberte d’une aile battante

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Degres de liberte d’une aile battante

Battement

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Battement

Axe de battement Rotation

Axe de rotation

Deviation

Axe de deviation

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

Hala Rifaı

Sommaire

Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Degres de liberte d’une aile battante

Battement

Axe de battement Rotation

Axe de rotation

Deviation

Axe de deviation

Autres phenomenes complexes : − Flexion de l’aile

− Torsion de l’aile

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Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Simple parametrisation du mouvement des ailes

φ ~t

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AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Simple parametrisation du mouvement des ailes

φ ~t

ψ

~r

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Modele moyen

Commande

Attitude

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Robustesse

ContributionsPerspectives

Simple parametrisation du mouvement des ailes

φ ~t

ψ

~r

θ

~n

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Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Simple parametrisation du mouvement des ailes

φ ~t

ψ

~r

θ

~n

φmax

φmin

κT (1 − κ)T

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Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Simple parametrisation du mouvement des ailes

φ ~t

ψ

~r

θ

~n

φmax

φmin

κT (1 − κ)T

ψmax

ψmin

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Commande

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Simple parametrisation du mouvement des ailes

φ ~t

ψ

~r

θ

~n

φmax

φmin

κT (1 − κ)T

ψmax

ψmin

θ NUL

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Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Simple parametrisation du mouvement des ailes

φ ~t

ψ

~r

θ

~n

φmax

φmin

κT (1 − κ)T

ψmax

ψmin

θ NUL⇓Generation des forces etcouples aerodynamiques

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Commande

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Robustesse

ContributionsPerspectives

Simple parametrisation du mouvement des ailes

φ ~t

ψ

~r

θ

~n

(φ,ψ) → couples de roulis etlacet, forces longitudinale et ver-ticaleθ = 0→ couple de tangage generepar une masse interne

φmax

φmin

κT (1 − κ)T

ψmax

ψmin

θ NUL⇓Generation des forces etcouples aerodynamiques

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Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Simple parametrisation du mouvement des ailes

φ ~t

ψ

~r

θ

~n

(φ,ψ) → couples de roulis etlacet, forces longitudinale et ver-ticaleθ = 0→ couple de tangage generepar une masse interne

φmax

φmin

κT (1 − κ)T

ψmax

ψmin

ψc

φc

θ NUL⇓Generation des forces etcouples aerodynamiques

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Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Simple parametrisation du mouvement des ailesTransmission par des actionneurs

Boucle locale d’actionnement:Actionneur modelise par un filtre passe-bas

φ = −λ1(φ− φc) − λ2(φ− φc)

ψ = −λ1(ψ− ψc) − λ2(ψ−ψc)

λ1 et λ2 sont ajustes tel que la constante de temps de l’actionneur soit deτ = 10−4 (ceramique piezoelectrique).

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Parametrisationdes ailes

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Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Simple parametrisation du mouvement des ailesTransmission par des actionneurs

Boucle locale d’actionnement:Actionneur modelise par un filtre passe-bas

φ = −λ1(φ− φc) − λ2(φ− φc)

ψ = −λ1(ψ− ψc) − λ2(ψ−ψc)

λ1 et λ2 sont ajustes tel que la constante de temps de l’actionneur soit deτ = 10−4 (ceramique piezoelectrique).

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02−100

−50

0

50

100

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02−50

0

50

φc

φ

ψc

ψ

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Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Modelisation du drone a ailes battantesComposantes des forces aerodynamiques

Force aerodynamique stationnaire (due au battement des ailes)

Forces aerodynamiques instationnaires (due a la rotation desailes)

De rotationDes masses ajouteesCapture de sillageRetard au decrochage. . .

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 12 / 70

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Modelisation du drone a ailes battantesComposantes des forces aerodynamiques

Force aerodynamique stationnaire (due au battement des ailes)Forces aerodynamiques instationnaires (due a la rotation desailes)

De rotationDes masses ajouteesCapture de sillageRetard au decrochage. . .

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 12 / 70

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Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Modelisation du drone a ailes battantesComposantes des forces aerodynamiques

Force aerodynamique stationnaire (due au battement des ailes)Forces aerodynamiques instationnaires (due a la rotation desailes)

De rotation

Des masses ajouteesCapture de sillageRetard au decrochage. . .

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 12 / 70

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Modele moyen

Commande

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Position

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ContributionsPerspectives

Modelisation du drone a ailes battantesComposantes des forces aerodynamiques

Force aerodynamique stationnaire (due au battement des ailes)Forces aerodynamiques instationnaires (due a la rotation desailes)

De rotationDes masses ajoutees

Capture de sillageRetard au decrochage. . .

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 12 / 70

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Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Modelisation du drone a ailes battantesComposantes des forces aerodynamiques

Force aerodynamique stationnaire (due au battement des ailes)Forces aerodynamiques instationnaires (due a la rotation desailes)

De rotationDes masses ajouteesCapture de sillage

Retard au decrochage. . .

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 12 / 70

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Commande

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Position

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ContributionsPerspectives

Modelisation du drone a ailes battantesComposantes des forces aerodynamiques

Force aerodynamique stationnaire (due au battement des ailes)Forces aerodynamiques instationnaires (due a la rotation desailes)

De rotationDes masses ajouteesCapture de sillageRetard au decrochage

. . .

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 12 / 70

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Commande

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ContributionsPerspectives

Modelisation du drone a ailes battantesComposantes des forces aerodynamiques

Force aerodynamique stationnaire (due au battement des ailes)Forces aerodynamiques instationnaires (due a la rotation desailes)

De rotationDes masses ajouteesCapture de sillageRetard au decrochage. . .

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 12 / 70

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Commande

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ContributionsPerspectives

Modelisation du drone a ailes battantesForces aerodynamiques (stationnaires)

Battement vers le bas

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Modelisation du drone a ailes battantesForces aerodynamiques (stationnaires)

Battement vers le bas

Traction

Portance

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ContributionsPerspectives

Modelisation du drone a ailes battantesForces aerodynamiques (stationnaires)

Battement vers le haut Battement vers le bas

Traction

Portance

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Modele moyen

Commande

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Robustesse

ContributionsPerspectives

Modelisation du drone a ailes battantesForces aerodynamiques (stationnaires)

Battement vers le haut Battement vers le bas

Traction

Portance

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Commande

Attitude

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Robustesse

ContributionsPerspectives

Modelisation du drone a ailes battantesForces aerodynamiques (stationnaires)

Battement vers le haut

Poids

Traınee

Battement vers le bas

Traction

Portance

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Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Modelisation du drone a ailes battantesForces aerodynamiques (stationnaires)

Force aerodynamique stationnaire:(creee par la pression de l’air sur un profil d’aile)

f as = −

1

2ρCSva|va|

ρ : densite de l’air

S : surface de l’aile

va : vitesse de l’aile dans Ra

C : coefficient aerodynamique

(Cbatt.haut < Cbatt.bas)

~fs, g

~fs,d

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Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Modelisation du drone a ailes battantesForces aerodynamiques (instationnaires)

Force des masses ajoutees:(creee par l’acceleration de la masse de l’air qui entoure

l’aile)

f ama= −

π

4ρl2xLφ

l : corde de l’aile

L : longueur de l’aile

x : abscisse du centre aerodynamique

ρ : densite de l’air

φ : derivee seconde de l’angle de battement

~fma, g

~fma,d

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Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Modelisation du drone a ailes battantesForces aerodynamiques (instationnaires)

Force de rotation:(creee par la rotation de l’aile)

f ar = −

π

2ρl2Lvaψ

l : corde de l’aile

L : longueur de l’aile

va : vitesse de l’aile dans Ra

ρ : densite de l’air

ψ : derivee de l’angle de rotation

~fr , g

~fr ,d

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d’un robotbiomimetique

volant

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Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Modelisation du drone a ailes battantesForce/couple aerodynamiques

Force aerodynamique totale (dans Ra):(perpendiculaire au profil de l’aile)

f a = f as + f a

ma + f ar

f a parallele a ~n

Force aerodynamique exprimee dans Rm:

f m = f md + f m

g = Rmad f ad

d + Rmag f ag

g

Couple aerodynamique dans Rm:

τm = pmd × f m

d + pmg × f m

g

~fg

~fd

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volant

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Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Modelisation du drone a ailes battantesForce/couple aerodynamiques

Force aerodynamique totale (dans Ra):(perpendiculaire au profil de l’aile)

f a = f as + f a

ma + f ar

f a parallele a ~n

Force aerodynamique exprimee dans Rm:

f m = f md + f m

g = Rmad f ad

d + Rmag f ag

g

Couple aerodynamique dans Rm:

τm = pmd × f m

d + pmg × f m

g

~fg

~fd

Rm

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

Hala Rifaı

Sommaire

Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Modelisation du drone a ailes battantesForce/couple aerodynamiques

Force aerodynamique totale (dans Ra):(perpendiculaire au profil de l’aile)

f a = f as + f a

ma + f ar

f a parallele a ~n

Force aerodynamique exprimee dans Rm:

f m = f md + f m

g = Rmad f ad

d + Rmag f ag

g

Couple aerodynamique dans Rm:

τm = pmd × f m

d + pmg × f m

g

~fg

~fd

Rm

~pd

~pg

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

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Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Modelisation du drone a ailes battantesDynamique du corps

P f = V f

V f =1

mRf m − cV f − g(

q0

qv

)=

1

2

(−qT

v

I3q0 − q×v

)ωm

ωm = J−1(τm −ωm × Jωm)

R : Matrice de rotation de Rm a Rf

~ym ~xm~zm

~y f

~x f

~z f

Rm

Rf

R

Rf : Repere fixeRm : Repere mobile

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Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Modelisation du drone a ailes battantesDynamique du corps

P f = V f

V f =1

mRf m − cV f − g(

q0

qv

)=

1

2

(−qT

v

I3q0 − q×v

)ωm

ωm = J−1(τm −ωm × Jωm)

R : Matrice de rotation de Rm a Rf

f m, τm : Force et couple aerodynamiques dans Rm

P f , V f : Position et vitesse lineaires dans Rf

~ym ~xm~zm

~y f

~x f

~z f

Rm

Rf

R

~fg

~fd

Rf : Repere fixeRm : Repere mobilem : Masse du corpsc : Coefficient de viscositeg : Gravite

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Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Modelisation du drone a ailes battantesDynamique du corps

P f = V f

V f =1

mRf m − cV f − g(

q0

qv

)=

1

2

(−qT

v

I3q0 − q×v

)ωm

ωm = J−1(τm −ωm × Jωm)

R : Matrice de rotation de Rm a Rf

f m, τm : Force et couple aerodynamiques dans Rm

P f , V f : Position et vitesse lineaires dans Rf

q = [q0 qv ]T : Quaternionq×v : Matrice antisymetrique associee a qv

ωm : Vitesse angulaire dans Rm

~ym ~xm~zm

~y f

~x f

~z f

Rm

Rf

R

~τg

~τd

Rf : Repere fixeRm : Repere mobilem : Masse du corpsc : Coefficient de viscositeg : GraviteI3 : Matrice identiteJ : Matrice d’inertie

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Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Modelisation du drone a ailes battantesDynamique du corps

P f = V f

V f =1

mRf m − cV f − g(

q0

qv

)=

1

2

(−qT

v

I3q0 − q×v

)ωm

ωm = J−1(τm −ωm × Jωm)

R : Matrice de rotation de Rm a Rf

f m, τm : Force et couple aerodynamiques dans Rm

P f , V f : Position et vitesse lineaires dans Rf

q = [q0 qv ]T : Quaternionq×v : Matrice antisymetrique associee a qv

ωm : Vitesse angulaire dans Rm

~ym ~xm~zm

~y f

~x f

~z f

Rm

Rf

R

~τg

~τd

Rf : Repere fixeRm : Repere mobilem : Masse du corpsc : Coefficient de viscositeg : GraviteI3 : Matrice identiteJ : Matrice d’inertie

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Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Modelisation du drone a ailes battantesDynamique du corps

P f = V f

V f =1

mRf m − cV f − g(

q0

qv

)=

1

2

(−qT

v

I3q0 − q×v

)ωm

ωm = J−1(τm −ωm × Jωm)

R : Matrice de rotation de Rm a Rf

f m, τm : Force et couple aerodynamiques dans Rm

P f , V f : Position et vitesse lineaires dans Rf

q = [q0 qv ]T : Quaternionq×v : Matrice antisymetrique associee a qv

ωm : Vitesse angulaire dans Rm

~ym ~xm~zm

~y f

~x f

~z f

Rm

Rf

R

~τg

~τd

Rf : Repere fixeRm : Repere mobilem : Masse du corpsc : Coefficient de viscositeg : GraviteI3 : Matrice identiteJ : Matrice d’inertie

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AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Dimensionnement de l’OVMI

masse du corps 200 mg

envergure 3 cm

surface alaire 0.57 cm2

frequence de battement 100 Hz

angle de battement maximal φ0 60

angle de rotation maximal ψ0 90

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Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Theorie de moyennisationEquivalence entre la stabilite du systeme moyen et instantane

Approche par moyennisation

temps

variant

(P, V , q, ω) = f (P,V , q,ω,angles des ailes)

angles des ailes = amplitudes · g(t)︸︷︷︸periodique de periode T

temps

invariant

( ˙P, ˙V , ˙q, ˙ω) = f (P, V , q, ω,amplitudes)

amplitudes = h(P, V , q, ω)

temps invariant ↔ corps rigide

Si le systeme temps invariant est asymptotiquement stable, alors ilexiste un k > 0 tel que ∀T petit, ‖(P,V , q,ω) − (P, V , q, ω)‖ < kTpour t ∈ [0,∞[.

T est la periode de moyennisation = periode de battement.

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Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Approche par moyennisation

φ(φ0, t)

ψ(ψ0, t)

θ NUL

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Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Approche par moyennisation

φ(φ0, t)

ψ(ψ0, t)

θ NUL

- forces et couples

aerodynamiques

f =

fx0fh

=

traction0

portance

τ =

τ1

0τ3

=

roulis0

lacet

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Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Approche par moyennisation

φ(φ0, t)

ψ(ψ0, t)

θ NUL

Masse mobile

- forces et couples

aerodynamiques

f =

fx0fh

=

traction0

portance

τ =

τ1

0τ3

=

roulis0

lacet

- τ =

0τ2

0

=

0tangage

0

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Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Approche par moyennisation

φ(φ0, t)

ψ(ψ0, t)

θ NUL

- forces et couples

aerodynamiques-

moyennesur une

periode debattement

forces et couples

aerodynamiques

moyens

(f , τ)(f , τ)

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Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Approche par moyennisation

φ(φ0, t)

ψ(ψ0, t)

θ NUL

- forces et couples

aerodynamiques-

moyennesur une

periode debattement

forces et couples

aerodynamiques

moyens

(f , τ)(f , τ)

66

Λ, Λ−1

(f , τ) = Λ(φ0, ψ0)d , g

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Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Approche par moyennisation

φ(φ0, t)

ψ(ψ0, t)

θ NUL

- forces et couples

aerodynamiques-

moyennesur une

periode debattement

forces et couples

aerodynamiques

moyens

(f , τ)(f , τ)

66

Λ, Λ−1

(f , τ) = Λ(φ0, ψ0)d , g

Chercher f = f (P, V , q, ω) et τ = τ(P, V , q, ω) pour que

le systeme ait le comportement desire

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Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Definition de la fonction ΛRelation entre les amplitudes des angles des ailes et les forces et couples

moyens (variables de commande)

Modele simple: seulement les forces aerodynamiques stationnaires etles couples correspondants sont consideres

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Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Definition de la fonction ΛRelation entre les amplitudes des angles des ailes et les forces et couples

moyens (variables de commande)

−α[φd

0 sinφd0 sinψd

0 + φg0 sinφg

0 sinψg0

]= fx

β[φd

0 sinφd0 cosψd

0 + φg0 sinφg

0 cosψg0

]= fh

βx[φd2

0 cosψd0 − φ

g2

0 cosψg0

]= τ1

αx[φd2

0 sinψd0 − φ

g2

0 sinψg0

]= τ3

avec

α,β = fα,β(freq. de battement, geometrie de l’aile, coef. aerodyn., densite de l’air)

x1 = distance entre la base de l’aile et son centre aerodynamique

τ2 est genere par une masse qui se deplace a l’interieur du corps

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Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Etude des saturations

Amplitudes desangles des ailes

(φ0, ψ0)d , g

-ΛForces et couples

moyens

(f , τ)

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Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Etude des saturations

Amplitudes desangles des ailes

(φ0, ψ0)d , g

-ΛForces et couples

moyens

(f , τ)

6

Contraintes

0 ≤ φ0 ≤ φ0

−ψ0 ≤ ψ0 ≤ ψ0

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Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Etude des saturations

Amplitudes desangles des ailes

(φ0, ψ0)d , g

-ΛForces et couples

moyens

(f , τ)

6

Contraintes

0 ≤ φ0 ≤ φ0

−ψ0 ≤ ψ0 ≤ ψ0

- Contraintes?

6

?

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Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Etude des saturationsEnsemble de saturation des couples

Limitations physiques

Saturation des angles des ailes

0 ≤ φ0 ≤ φ0

−ψ0 ≤ ψ0 ≤ ψ0

βx[φd2

0 cosψd0 − φg2

0 cosψg0

]= τ1

αx[φd2

0 sinψd0 − φg2

0 sinψg0

]= τ3

Saturations couplees des couples de commande

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Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Etude des saturationsEnsemble de saturation des couples

Limitations physiques

Saturation des angles des ailes

0 ≤ φ0 ≤ φ0

−ψ0 ≤ ψ0 ≤ ψ0

βx[φd2

0 cosψd0 − φg2

0 cosψg0

]= τ1

αx[φd2

0 sinψd0 − φg2

0 sinψg0

]= τ3

Saturations couplees des couples de commande

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Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Etude des saturationsEnsemble de saturation des couples

Limitations physiques

Saturation des angles des ailes

0 ≤ φ0 ≤ φ0

−ψ0 ≤ ψ0 ≤ ψ0

βx[φd2

0 cosψd0 − φg2

0 cosψg0

]= τ1

αx[φd2

0 sinψd0 − φg2

0 sinψg0

]= τ3

Saturations couplees des couples de commande

−2 −1 0 1 2

x 10−5

−6

−4

−2

0

2

4

6x 10

−5

τ3(N.m

)

τ1 (N.m)

Ωτ1,τ3

Ensemble de saturation admissible

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Bilan

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Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Etude des saturationsEnsemble de saturation des couples

Limitations physiques

Saturation des angles des ailes

0 ≤ φ0 ≤ φ0

−ψ0 ≤ ψ0 ≤ ψ0

βx[φd2

0 cosψd0 − φg2

0 cosψg0

]= τ1

αx[φd2

0 sinψd0 − φg2

0 sinψg0

]= τ3

Saturations couplees des couples de commande

−2 −1 0 1 2

x 10−5

−6

−4

−2

0

2

4

6x 10

−5

τ3(N.m

)

τ1 (N.m)

Er

Ensemble de saturation admissible

Reduit a une ellipse pour simplifier

le calcul

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

Hala Rifaı

Sommaire

Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Etude des saturationsEnsemble de saturation des couples

Limitations physiques

Saturation des angles des ailes

0 ≤ φ0 ≤ φ0

−ψ0 ≤ ψ0 ≤ ψ0

βx[φd2

0 cosψd0 − φg2

0 cosψg0

]= τ1

αx[φd2

0 sinψd0 − φg2

0 sinψg0

]= τ3

Saturations couplees des couples de commande

−2 −1 0 1 2

x 10−5

−6

−4

−2

0

2

4

6x 10

−5

τ3(N.m

)

τ1 (N.m)

Er

Ensemble de saturation admissible

Reduit a une ellipse pour simplifier

le calcul• •Couple de lacet nul pour un couple

de roulis maximal

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

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Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Etude des saturationsEnsemble de saturation des couples

Limitations physiques

Saturation des angles des ailes

0 ≤ φ0 ≤ φ0

−ψ0 ≤ ψ0 ≤ ψ0

βx[φd2

0 cosψd0 − φg2

0 cosψg0

]= τ1

αx[φd2

0 sinψd0 − φg2

0 sinψg0

]= τ3

Saturations couplees des couples de commande

−2 −1 0 1 2

x 10−5

−6

−4

−2

0

2

4

6x 10

−5

τ3(N.m

)

τ1 (N.m)

Ωr

Ensemble de saturation admissible

Reduit a une ellipse pour simplifier

le calcul• •Couple de lacet nul pour un couple

de roulis maximal

Stabilisation du roulis privilegiee

pour ramener le microdrone a plat

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AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Etude des saturationsEnsemble de saturation des forces

Limitations physiques

Saturation des angles des ailes

0 ≤ φ0 ≤ φ0

−ψ0 ≤ ψ0 ≤ ψ0

−α[φd

0 sinφd0 sinψd

0 + φg0 sinφg

0 sinψg0

]= fx

β[φd

0 sinφd0 cosψd

0 + φg0 sinφg

0 cosψg0

]= fh

Saturations couplees des forces de commande

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d’un robotbiomimetique

volant

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Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Etude des saturationsEnsemble de saturation des forces

Limitations physiques

Saturation des angles des ailes

0 ≤ φ0 ≤ φ0

−ψ0 ≤ ψ0 ≤ ψ0

−α[φd

0 sinφd0 sinψd

0 + φg0 sinφg

0 sinψg0

]= fx

β[φd

0 sinφd0 cosψd

0 + φg0 sinφg

0 cosψg0

]= fh

Saturations couplees des forces de commande

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d’un robotbiomimetique

volant

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AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Etude des saturationsEnsemble de saturation des forces

Limitations physiques

Saturation des angles des ailes

0 ≤ φ0 ≤ φ0

−ψ0 ≤ ψ0 ≤ ψ0

−α[φd

0 sinφd0 sinψd

0 + φg0 sinφg

0 sinψg0

]= fx

β[φd

0 sinφd0 cosψd

0 + φg0 sinφg

0 cosψg0

]= fh

Saturations couplees des forces de commande

−5 0 5

x 10−3

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5x 10

−3

f h(N

)

fx (N)

Ωfx ,fh

Ensemble de saturation admissible

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Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Etude des saturationsEnsemble de saturation des forces

Limitations physiques

Saturation des angles des ailes

0 ≤ φ0 ≤ φ0

−ψ0 ≤ ψ0 ≤ ψ0

−α[φd

0 sinφd0 sinψd

0 + φg0 sinφg

0 sinψg0

]= fx

β[φd

0 sinφd0 cosψd

0 + φg0 sinφg

0 cosψg0

]= fh

Saturations couplees des forces de commande

−5 0 5

x 10−3

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5x 10

−3

f h(N

)

fx (N)

Ωfx ,fh

Ensemble de saturation admissible•

Force de traction nulle pour une force

de portance maximale

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Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Etude des saturationsEnsemble de saturation des forces

Limitations physiques

Saturation des angles des ailes

0 ≤ φ0 ≤ φ0

−ψ0 ≤ ψ0 ≤ ψ0

−α[φd

0 sinφd0 sinψd

0 + φg0 sinφg

0 sinψg0

]= fx

β[φd

0 sinφd0 cosψd

0 + φg0 sinφg

0 cosψg0

]= fh

Saturations couplees des forces de commande

−5 0 5

x 10−3

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5x 10

−3

f h(N

)

fx (N)

Ωt

Ensemble de saturation admissible•

Force de traction nulle pour une force

de portance maximale

Stabilisation de la force verticale

privilegiee pour raison de couplage

avec le roulis

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Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Sommaire

1 IntroductionProjets sur les drones a ailes battantesContexte du travail: Projet OVMIAvantages - Inconvenients du vol battuBilan de litterature et des contributions

2 Modele simple pour la commandeParametrisation du mouvement des ailesModele simplifie du drone a ailes battantesCalcul du modele moyen

3 Commande du drone a ailes battantesCommande de l’attitudeCommande de la position

4 Tests de robustesse

5 Contributions et Perspectives

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AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Schema de commande

φ(φ0, t)

ψ(ψ0, t)

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Bilan

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Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Schema de commande

φ(φ0, t)

ψ(ψ0, t)-

forces et couples

aerodynamiques

(f , τ)

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Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Schema de commande

φ(φ0, t)

ψ(ψ0, t)-

forces et couples

aerodynamiques

(f , τ)

-forces et couples

aerodynamiques moyens

(f , τ) = Λ(φ0, ψ0)d , g

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 27 / 70

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Bilan

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Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Schema de commande

φ(φ0, t)

ψ(ψ0, t)-

forces et couples

aerodynamiques

(f , τ)

-forces et couples

aerodynamiques moyens

(f , τ) = Λ(φ0, ψ0)d , g

fx

fh

τ1

τ2

τ3

corps rigide

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Bilan

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Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Schema de commande

φ(φ0, t)

ψ(ψ0, t)-

forces et couples

aerodynamiques

(f , τ)

-forces et couples

aerodynamiques moyens

(f , τ) = Λ(φ0, ψ0)d , g

6

(φ0, ψ0)d , g = Λ−1(f , τ)

fx

fh

τ1

τ2

τ3

corps rigide

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Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Schema de commande

Pe

Ve

qe

ωe

(P,V , q,ω)d

(P,V , q,ω)c

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Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Schema de commande

Pe

Ve

qe

ωe

(P,V , q,ω)d

(P,V , q,ω)c

f

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Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Schema de commande

Pe

Ve

qe

ωe

(P,V , q,ω)d

(P,V , q,ω)c

f

-Λ−1 φ

d , g0

ψd , g0

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 28 / 70

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Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Schema de commande

Pe

Ve

qe

ωe

(P,V , q,ω)d

(P,V , q,ω)c

f

-Λ−1 φ

d , g0

ψd , g0

6

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 28 / 70

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AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Stabilisation de l’attitudeCommande par retour d’etat

Couples de commande

τj = − satτj(λj [δjωj + sign(q0) satM1,j

(ρj qj)]) j = 1, 2, 3

λj , δj , ρj : parametres de reglage positifs

satM1,j, satτj

: fonctions de saturation

ωj : vitesse angulaire moyenne

qj : quaternion moyen

[J.F. Guerrero-Castellanos et al., ICRA’07]

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Bilan

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Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Stabilisation de l’attitudeCommande par retour d’etat

Couples de commande

τj = − satτj(λj [δjωj + sign(q0) satM1,j

(ρj qj)]) j = 1, 2, 3

λj , δj , ρj : parametres de reglage positifs

satM1,j, satτj

: fonctions de saturation

ωj : vitesse angulaire moyenne

qj : quaternion moyen

[J.F. Guerrero-Castellanos et al., ICRA’07]

Stabilite prouvee (corps rigide) par la fonction de Lyapunov:

V =1

2~ωT J ~ω+ κ((1 − q0)

2 + ~qT~q)

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Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Stabilisation de l’attitudeCommande par retour d’etat

Couples de commande

τj = − satτj(λj [δjωj + sign(q0) satM1,j

(ρj qj)]) j = 1, 2, 3

λj , δj , ρj : parametres de reglage positifs

satM1,j, satτj

: fonctions de saturation

ωj : vitesse angulaire moyenne

qj : quaternion moyen

[J.F. Guerrero-Castellanos et al., ICRA’07]

Stabilite prouvee (corps rigide) par la fonction de Lyapunov:

V =1

2~ωT J ~ω+ κ((1 − q0)

2 + ~qT~q)

Etendue aux ailes battantes grace a la theorie de moyennisation

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Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Stabilisation de l’attitudeCapteurs d’attitude

Deux types de capteurs existent:

Gyrometre: Capteur donnant la mesure, dans le reperemobile, de la vitesse angulaire du corps

Capteur de reference:Capteur donnant la mesure, dansle repere mobile, d’un vecteur fixe dans l’espace(accelerometre, magnetometre)

ω2

ω3 ω1

Rm

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Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Stabilisation de l’attitudeCapteurs d’attitude

Deux types de capteurs existent:

Gyrometre: Capteur donnant la mesure, dans le reperemobile, de la vitesse angulaire du corps

Capteur de reference:Capteur donnant la mesure, dansle repere mobile, d’un vecteur fixe dans l’espace(accelerometre, magnetometre)

Rf

Rm

~s f

~s f2

~s f1

~s f3

~sm2

~sm3 ~sm

1

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Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Stabilisation de l’attitudeErreur d’attitude

Exemple d’un accelerometre:

Rm

Rd ~s fk

~smk

Vecteur courant: smk = R s f

k

Vecteur desire: smkd

= Rd s fk

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Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Stabilisation de l’attitudeErreur d’attitude

Exemple d’un accelerometre:

Rm

Rd ~s fk

~smk

Vecteur courant: smk = R s f

k

Vecteur desire: smkd

= Rd s fk

Commande du lacet impossible

Rajouter un autre capteur fournissant une mesure noncolineaire (magnetometre par exemple)

Nombre de capteurs non colineaires n ≥ 2

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Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Stabilisation de l’attitudeErreur d’attitude

Exemple d’un accelerometre:

Rm

Rd ~s fk

~smk

Vecteur courant: smk = R s f

k

Vecteur desire: smkd

= Rd s fk

Commande du lacet impossible

Rajouter un autre capteur fournissant une mesure noncolineaire (magnetometre par exemple)

Nombre de capteurs non colineaires n ≥ 2

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 31 / 70

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

Hala Rifaı

Sommaire

Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Stabilisation de l’attitudeErreur d’attitude

Exemple d’un accelerometre:

Rm

Rd ~s fk

~smk

Vecteur courant: smk = R s f

k

Vecteur desire: smkd

= Rd s fk

Erreur d’attitude:

~ζ =∆−1

n

n∑k=1

~s mk × Rd~s

fk

∆ : matrice diagonale de ponderation (a termes positifs)

n : nombre de capteurs

Rd : matrice de rotation desiree (orientation desiree de Rf par rapport a Rm)

Si ~s mk et Rd~s

fk sont colineaires, ~ζ = 0

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 31 / 70

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

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Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Stabilisation de l’attitudeCommande par retour de mesure

Capteurs utilises: Gyrometre et capteurs de reference

Couples de commande

τj = − satτj(λj [ωGj

+ ρj ζj)]) j = 1, 2, 3

λj , ρj : parametres de reglage positifs

satτj: fonction de saturation

ωGj: vitesse angulaire moyenne (mesuree par le gyrometre)

ζj : erreur d’attitude moyenne

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 32 / 70

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

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Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Stabilisation de l’attitudeCommande par retour de mesure

Capteurs utilises: Gyrometre et capteurs de reference

Couples de commande

τj = − satτj(λj [ωGj

+ ρj ζj)]) j = 1, 2, 3

λj , ρj : parametres de reglage positifs

satτj: fonction de saturation

ωGj: vitesse angulaire moyenne (mesuree par le gyrometre)

ζj : erreur d’attitude moyenne

Stabilite prouvee (corps rigide) par la fonction de Lyapunov:

V =1

2~ωT J ~ω+

1

n

n∑k=1

(1 −~s mk

T Rd ~s fk )

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 32 / 70

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

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Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Stabilisation de l’attitudeCommande par retour de mesure

Capteurs utilises: Gyrometre et capteurs de reference

Couples de commande

τj = − satτj(λj [ωGj

+ ρj ζj)]) j = 1, 2, 3

λj , ρj : parametres de reglage positifs

satτj: fonction de saturation

ωGj: vitesse angulaire moyenne (mesuree par le gyrometre)

ζj : erreur d’attitude moyenne

Stabilite prouvee (corps rigide) par la fonction de Lyapunov:

V =1

2~ωT J ~ω+

1

n

n∑k=1

(1 −~s mk

T Rd ~s fk )

Etendue aux ailes battantes grace a la theorie de moyennisation

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 32 / 70

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d’un robotbiomimetique

volant

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Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Stabilisation de l’attitudeCommande par retour de mesure

Capteurs utilises: Capteurs de reference

Pas de gyrometre ⇒ reconstruction de la vitesse angulaire(dans une base orthogonale U = [~u1,~u2,~u3] ≡ Rm)

~ω =1

2

3∑l=1

~ul × ~ul

Au moins 2 capteurs suffisent pour la construction de U

Inconvenient des mesures bruitees ⇒ Calcul de la deriveefiltree ~vl vitesse angulaire reconstruite

~ϑ =1

2

3∑l=1

~vl × ~ul

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 33 / 70

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Parametrisationdes ailes

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Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Stabilisation de l’attitudeCommande par retour de mesure

Capteurs utilises: Capteurs de reference

Pas de gyrometre ⇒ reconstruction de la vitesse angulaire(dans une base orthogonale U = [~u1,~u2,~u3] ≡ Rm)

~ω =1

2

3∑l=1

~ul × ~ul

Au moins 2 capteurs suffisent pour la construction de U

Inconvenient des mesures bruitees ⇒ Calcul de la deriveefiltree ~vl vitesse angulaire reconstruite

~ϑ =1

2

3∑l=1

~vl × ~ul

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 33 / 70

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Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Stabilisation de l’attitudeCommande par retour de mesure

Capteurs utilises: Capteurs de reference

Pas de gyrometre ⇒ reconstruction de la vitesse angulaire(dans une base orthogonale U = [~u1,~u2,~u3] ≡ Rm)

~ω =1

2

3∑l=1

~ul × ~ul

Au moins 2 capteurs suffisent pour la construction de U

Inconvenient des mesures bruitees ⇒ Calcul de la deriveefiltree ~vl vitesse angulaire reconstruite

~ϑ =1

2

3∑l=1

~vl × ~ul

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 33 / 70

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Commande

Attitude

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ContributionsPerspectives

Stabilisation de l’attitudeCommande par retour de mesure

Capteurs utilises: Capteurs de reference

Couples de commande

τj = − satτj(λj [ϑj + ρj ζj)]) j = 1, 2, 3

λj , ρj : parametres de reglage positifs

satτj: fonction de saturation

ϑj : vitesse angulaire reconstruite moyenne

ζj : erreur d’attitude moyenne

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 34 / 70

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Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Stabilisation de l’attitudeCommande par retour de mesure

Capteurs utilises: Capteurs de reference

Couples de commande

τj = − satτj(λj [ϑj + ρj ζj)]) j = 1, 2, 3

λj , ρj : parametres de reglage positifs

satτj: fonction de saturation

ϑj : vitesse angulaire reconstruite moyenne

ζj : erreur d’attitude moyenne

Si filtre suffisamment rapide ⇒ ϑ→ ω

Stabilite prouvee (corps rigide) par la fonction de Lyapunov:

V =1

2~ωT J ~ω+

1

n

n∑k=1

(1 −~s mk

T Rd ~s fk )

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 34 / 70

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Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Stabilisation de l’attitudeCommande par retour de mesure

Capteurs utilises: Capteurs de reference

Couples de commande

τj = − satτj(λj [ϑj + ρj ζj)]) j = 1, 2, 3

λj , ρj : parametres de reglage positifs

satτj: fonction de saturation

ϑj : vitesse angulaire reconstruite moyenne

ζj : erreur d’attitude moyenne

Si filtre suffisamment rapide ⇒ ϑ→ ω

Stabilite prouvee (corps rigide) par la fonction de Lyapunov:

V =1

2~ωT J ~ω+

1

n

n∑k=1

(1 −~s mk

T Rd ~s fk )

Etendue aux ailes battantes grace a la theorie de moyennisation

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 34 / 70

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Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Stabilisation de l’attitudeCommande par retour de mesure (avec gyrometre)

Orientation initiale: (η1, η2, η3) = (−40,−25, 50)

Bruits des capteurs modelises par des bruits blancs gaussiensd’ecarts types:

Gyrometre: σG = 10−3 rad/s

Accelerometre: σA = 10−4 m/s2

Magnetometre: σM = 0.01 mgauss

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 35 / 70

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Bilan

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Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Stabilisation de l’attitudeCommande par retour de mesure (avec gyrometre)

Orientation initiale: (η1, η2, η3) = (−40,−25, 50)

Angles (Roulis, Tangage, Lacet) et vitesses angulaires

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

−40

−20

0

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1−40

−20

0

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0

20

40

60

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1−5

0

5

10

15

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0

2

4

6

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1−5

0

5

η1(d

eg)

η2(d

eg)

η3(d

eg)

ωG

1(r

ad/s)

ωG

2(r

ad/s)

ωG

3(r

ad/s)

temps (s)

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 35 / 70

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Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Stabilisation de l’attitudeCommande par retour de mesure (avec gyrometre)

Couples de commande, angles des ailes et sorties des capteurs

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

0

2

4x 10

−7

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

05

1015

x 10−7

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

−505

1015

x 10−7

τ1(N.m

2(N.m

3(N.m

)

temps (s)

0 0.5 1−50

0

50

0 0.5 1−50

0

50

0 0.5 1

−2

0

2

0 0.5 1

−2

0

2

φg 0

(deg

)

φd 0

(deg

)

ψg 0

(deg

)

ψd 0

(deg

)

temps (s)

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 36 / 70

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volant

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Projet OVMI

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Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Stabilisation de l’attitudeCommande par retour de mesure (avec gyrometre)

Couples de commande, angles des ailes et sorties des capteurs

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

0

2

4x 10

−7

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

05

1015

x 10−7

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

−505

1015

x 10−7

τ1(N.m

2(N.m

3(N.m

)

temps (s)

0 0.5 1−1.5

−1

−0.5

0

0.5

1

0 0.5 1−1

−0.5

0

0.5

1

Accelero Magneto

~ sm A ~ sm M

temps (s)

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 36 / 70

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

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Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Robustesse vis-a-vis de perturbations externesCommande par retour de mesure (avec gyrometre)

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 37 / 70

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

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Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Robustesse vis-a-vis de perturbations externesCommande par retour de mesure (avec gyrometre)

Perturbation assimilee a:un couple d’amplitude (1.2 ·10−5, 2 ·10−5, 1.2 ·10−5) N ·m (dansRm) appliquee a t = 1.5 s pendant 10 periodes de battement.

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 37 / 70

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

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Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Robustesse vis-a-vis de perturbations externesCommande par retour de mesure (avec gyrometre)

Orientation initiale: (η1, η2, η3) = (70,−50, 30)

Angles (Roulis, Tangage, Lacet)

0 1 2 3−200

0

200

0 1 2 3

−50

0

50

0 1 2 3

−100

0

100

1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4−200

0

200

1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4−20

0

20

40

60

1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4

−100

0

100

η1(d

eg)

η2(d

eg)

η3(d

eg)

η1(d

eg)

η2(d

eg)

η3(d

eg)

temps (s)

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 38 / 70

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

Hala Rifaı

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Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Robustesse vis-a-vis de perturbations externesCommande par retour de mesure (avec gyrometre)

Vitesses angulaires

0 1 2 3

0

200

400

0 1 2 3

−100

0

100

0 1 2 3

−100

0

100

1.4 1.5 1.6 1.7

0

200

400

1.4 1.5 1.6 1.7

−100

0

100

1.4 1.5 1.6 1.7

−100

0

100

ω1(r

ad/s)

ω2(r

ad/s)

ω3(r

ad/s)

ω1(r

ad/s)

ω2(r

ad/s)

ω3(r

ad/s)

temps (s)

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 39 / 70

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

Hala Rifaı

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Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Robustesse vis-a-vis de perturbations externesCommande par retour de mesure (avec gyrometre)

Couples de commande

0 1 2 3−2

0

2x 10

−5

0 1 2 3−2

0

2x 10

−5

0 1 2 3−1

0

1x 10

−4

1.4 1.5 1.6 1.7 1.8−2

0

2x 10

−5

1.4 1.5 1.6 1.7 1.8−2

0

2x 10

−5

1.4 1.5 1.6 1.7 1.8−1

0

1x 10

−4

τ1(N.m

2(N.m

3(N.m

)

τ1(N.m

2(N.m

3(N.m

)

temps (s)

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 40 / 70

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

Hala Rifaı

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Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Proprietes de la commande d’attitude

Complexite extremement reduite

Robustesse structurelle

Independante de l’inertieIndependante du coefficient aerodynamique de portanceRobuste vis-a-vis de perturbations en entree

Robustesse verifiee numeriquement

Robuste vis-a-vis d’erreurs de modele (presentee apres)

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 41 / 70

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

Hala Rifaı

Sommaire

Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Proprietes de la commande d’attitude

Complexite extremement reduite

Robustesse structurelle

Independante de l’inertieIndependante du coefficient aerodynamique de portanceRobuste vis-a-vis de perturbations en entree

Robustesse verifiee numeriquement

Robuste vis-a-vis d’erreurs de modele (presentee apres)

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Bilan

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Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Proprietes de la commande d’attitude

Complexite extremement reduite

Robustesse structurelle

Independante de l’inertie

Independante du coefficient aerodynamique de portanceRobuste vis-a-vis de perturbations en entree

Robustesse verifiee numeriquement

Robuste vis-a-vis d’erreurs de modele (presentee apres)

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Commande

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Robustesse

ContributionsPerspectives

Proprietes de la commande d’attitude

Complexite extremement reduite

Robustesse structurelle

Independante de l’inertieIndependante du coefficient aerodynamique de portance

Robuste vis-a-vis de perturbations en entree

Robustesse verifiee numeriquement

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ContributionsPerspectives

Proprietes de la commande d’attitude

Complexite extremement reduite

Robustesse structurelle

Independante de l’inertieIndependante du coefficient aerodynamique de portanceRobuste vis-a-vis de perturbations en entree

Robustesse verifiee numeriquement

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Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Proprietes de la commande d’attitude

Complexite extremement reduite

Robustesse structurelle

Independante de l’inertieIndependante du coefficient aerodynamique de portanceRobuste vis-a-vis de perturbations en entree

Robustesse verifiee numeriquement

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Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Proprietes de la commande d’attitude

Complexite extremement reduite

Robustesse structurelle

Independante de l’inertieIndependante du coefficient aerodynamique de portanceRobuste vis-a-vis de perturbations en entree

Robustesse verifiee numeriquement

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Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Commande de la positionStrategie de commande

~y f

~z f~x f

~xm~zm

~ym

~f md

~f mg

Mvt longitudinal Px

Mvt lateral Py

Mvt vertical Pz

Mvt de roulis η1

Mvt de tangage η2

Mvt de lacet η3

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 42 / 70

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Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Commande de la positionStrategie de commande

~y f

~z f~x f

~xm~zm

~ym

~f m

τ2

τ1τ3

Mvt longitudinal Px

Mvt lateral Py

Mvt vertical Pz

Mvt de roulis η1

Mvt de tangage η2

Mvt de lacet η3

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Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Commande de la positionStrategie de commande

~y f

~z f~x f

~xm~zm

~ym

~f m

τ2

τ1τ3

fx

fh

Mvt longitudinal Px ← force de traction fxMvt lateral Py

Mvt vertical Pz ← force de portance fhMvt de roulis η1 ← couple de roulis τ1

Mvt de tangage η2 ← couple de tangage τ2

Mvt de lacet η3 ← couple de lacet τ3

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Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Commande de la positionStrategie de commande

~y f

~z f~x f

~xm~zm

~ym

~f m

τ2

τ1τ3

fx

fh

Mvt longitudinal Px ← force de traction fx (chaınes d’integrateurs)Mvt lateral Py

Mvt vertical Pz ← force de portance fhMvt de roulis η1 ← couple de roulis τ1

Mvt de tangage η2 ← couple de tangage τ2 (commande d’attitude)Mvt de lacet η3 ← couple de lacet τ3 (commande d’attitude)

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 42 / 70

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Modele simplifie

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Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Commande de la positionStrategie de commande

~y f

~z f~x f

~xm~zm

~ym

fhτ1

fy

fz

Mvt longitudinal Px ← force de traction fx (chaınes d’integrateurs)Mvt lateral Py eMvt vertical Pz | → PVTOL (avion a decollage et atterrissage verticaux)Mvt de roulis η1 c (double chaınes d’integrateurs)Mvt de tangage η2 ← couple de tangage τ2 (commande d’attitude)Mvt de lacet η3 ← couple de lacet τ3 (commande d’attitude)

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 42 / 70

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Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Commande de la positionStrategie de commande

~y f

~z f~x f

~xm~zm

~ym

fhτ1

fy

fz

Mvt longitudinal Px eMvt lateral Py | → chaınes d’integrateursMvt vertical Pz cMvt de roulis η1 eMvt de tangage η2 | → commande d’attitudeMvt de lacet η3 c

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 42 / 70

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Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Commande de la positionStrategie de commande

Chaıne d’integrateurs d’ordre n:xi = xi+1 i ∈ 1, . . . , n − 1

xn = u

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Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Commande de la positionStrategie de commande

Chaıne d’integrateurs d’ordre n:xi = xi+1 i ∈ 1, . . . , n − 1

xn = u

P f = V f

V f =1

mRf m − c V f − g

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Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Commande de la positionStrategie de commande

Chaıne d’integrateurs d’ordre n:xi = xi+1 i ∈ 1, . . . , n − 1

xn = u

P f = V f

V f =1

mRf m − c V f − g@©lη1

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 43 / 70

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Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Commande de la positionStrategie de commande

Chaıne d’integrateurs d’ordre n:xi = xi+1 i ∈ 1, . . . , n − 1

xn = u

P f = V f

V f =1

mRf m − c V f − g@©lη1

Commande d’attitude pour ramener le roulis vers un roulisdesire

Commande des chaınes d’integrateurs pour stabiliser laposition

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Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Commande de la positionCommande de chaınes d’integrateurs

Deux approches de commande bornee:

Approche de Sussmann basee sur la somme de saturations(poles du systeme places en (−ε,−ε2, . . . ,−εn))

u = −ε sat(yn) − ε2 sat(yn−1) − . . .− εn sat(y1)

0 < ε < 1

yj = f (xj )

Approche de Teel basee sur des saturations imbriquees(poles du systeme places en (−1,−1, . . . ,−1))

u = − satMn(yn+ satMn−1(yn−1+. . .+ satM2(y2+ satM1(y1)) . . .))

Mj : borne de saturation

yj = f (xj )

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 44 / 70

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Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Commande de la positionCommande de chaınes d’integrateurs

Deux approches de commande bornee:

Approche de Sussmann basee sur la somme de saturations(poles du systeme places en (−ε,−ε2, . . . ,−εn))

u = −ε sat(yn) − ε2 sat(yn−1) − . . .− εn sat(y1)

0 < ε < 1

yj = f (xj )

Approche de Teel basee sur des saturations imbriquees(poles du systeme places en (−1,−1, . . . ,−1))

u = − satMn(yn+ satMn−1(yn−1+. . .+ satM2(y2+ satM1(y1)) . . .))

Mj : borne de saturation

yj = f (xj )

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 44 / 70

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Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Commande de la positionCommande de chaınes d’integrateurs

Inconvenient des 2 approches: Lenteur dans la convergence

Avantage de la commande de Teel: Plus rapide

Choix: Approche de Teel amelioree pour reduire le tempsde convergence

Consideration d’un etage supplementaire dans la chaıned’integrateurs (equivalent a l’integrale de la position) poureliminer les erreurs statiques et ameliorer la robustesse dela commande

d

dt

(∫P f)

= P f

d

dtP f = V f

d

dtV f =

1

mRf m − c V f − g

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 45 / 70

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Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Commande de la positionCommande de chaınes d’integrateurs

Inconvenient des 2 approches: Lenteur dans la convergence

Avantage de la commande de Teel: Plus rapide

Choix: Approche de Teel amelioree pour reduire le tempsde convergence

Consideration d’un etage supplementaire dans la chaıned’integrateurs (equivalent a l’integrale de la position) poureliminer les erreurs statiques et ameliorer la robustesse dela commande

d

dt

(∫P f)

= P f

d

dtP f = V f

d

dtV f =

1

mRf m − c V f − g

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Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Commande de la positionCommande de chaınes d’integrateurs

Inconvenient des 2 approches: Lenteur dans la convergence

Avantage de la commande de Teel: Plus rapide

Choix: Approche de Teel amelioree pour reduire le tempsde convergence

Consideration d’un etage supplementaire dans la chaıned’integrateurs (equivalent a l’integrale de la position) poureliminer les erreurs statiques et ameliorer la robustesse dela commande

d

dt

(∫P f)

= P f

d

dtP f = V f

d

dtV f =

1

mRf m − c V f − g

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Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Commande de la positionCommande de chaınes d’integrateurs

Inconvenient des 2 approches: Lenteur dans la convergence

Avantage de la commande de Teel: Plus rapide

Choix: Approche de Teel amelioree pour reduire le tempsde convergence

Consideration d’un etage supplementaire dans la chaıned’integrateurs (equivalent a l’integrale de la position) poureliminer les erreurs statiques et ameliorer la robustesse dela commande

d

dt

(∫P f)

= P f

d

dtP f = V f

d

dtV f =

1

mRf m − c V f − g

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 45 / 70

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Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Commande de la positionCommande a base de saturations imbriquees

Amelioration de Johnson et Kannan [ACC’03]Placement de poles en (−a1,−a2,−a3) ⇒ matrice depassage Π (y = Πx)

Π =

a1a2a3 a3(a1 + a2) a3

0 a1a2 a2

0 0 a1

Πi,j : l’element de la i eme ligne et la j eme colonne de Π

Amelioration de Marchand [CDC’03]Bornes de saturation variables

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 46 / 70

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Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Commande de la positionCommande a base de saturations imbriquees

Amelioration de Johnson et Kannan [ACC’03]Placement de poles en (−a1,−a2,−a3) ⇒ matrice depassage Π (y = Πx)

Π =

a1a2a3 a3(a1 + a2) a3

0 a1a2 a2

0 0 a1

Πi,j : l’element de la i eme ligne et la j eme colonne de Π

Amelioration de Marchand [CDC’03]Bornes de saturation variables

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 46 / 70

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Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Commande de la positionCommande a base de saturations imbriquees

Forces de commande

vj = − satvj

(Πj3,3Vj + satγ2(Πj3,3

Vj ,Lj3,Mj2

)

(Πj2,3Vj + Πj2,2Pj + . . .

satγ1(Πj2,3Vj+Πj2,2

Pj ,Lj2,Mj1

)(Πj1,3Vj + Πj1,2Pj + Πj1,1

∫Pj)))

j = x , y , z

[Marchand, CDC’03; Johnson & Kannan, ACC’03]

sat(·) : fonction de saturation differentiable d’ordre 2∫Pj , Pj , Vj : Integrale de la position, position et vitesse lineaires moyennes

Πj : matrice de placement de poles

γ(·, ·, ·) : fonction de niveau

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 47 / 70

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

Hala Rifaı

Sommaire

Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Commande de la positionCommande a base de saturations imbriquees

Forces de commande

vj = − satvj

(Πj3,3Vj + satγ2(Πj3,3

Vj ,Lj3,Mj2

)

(Πj2,3Vj + Πj2,2Pj + . . .

satγ1(Πj2,3Vj+Πj2,2

Pj ,Lj2,Mj1

)(Πj1,3Vj + Πj1,2Pj + Πj1,1

∫Pj)))

j = x , y , z

[Marchand, CDC’03; Johnson & Kannan, ACC’03]

sat(·) : fonction de saturation differentiable d’ordre 2∫Pj , Pj , Vj : Integrale de la position, position et vitesse lineaires moyennes

Πj : matrice de placement de poles

γ(·, ·, ·) : fonction de niveau

Etendue aux ailes battantes grace a la theorie de moyennisation

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 47 / 70

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

Hala Rifaı

Sommaire

Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Sommaire

1 IntroductionProjets sur les drones a ailes battantesContexte du travail: Projet OVMIAvantages - Inconvenients du vol battuBilan de litterature et des contributions

2 Modele simple pour la commandeParametrisation du mouvement des ailesModele simplifie du drone a ailes battantesCalcul du modele moyen

3 Commande du drone a ailes battantesCommande de l’attitudeCommande de la position

4 Tests de robustesse

5 Contributions et Perspectives

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 48 / 70

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

Hala Rifaı

Sommaire

Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Test des commandes sur le modele complet

Dynamique de l’actionneur consideree

Forces aerodynamiques instationnaires considerees

Mouvement 3D

−0.50

0.51

−0.4−0.200.20.40.60.81−1

−0.5

0

0.5

Px (m)Py (m)

Pz (m)

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 49 / 70

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

Hala Rifaı

Sommaire

Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Test des commandes sur le modele complet

Position et vitesse lineaires, forces de commande

0 2 4 6−0.5

0

0.5

1

0 2 4 6−0.5

0

0.5

1

0 2 4 6

−1

0

1

0 2 4 6−4

−2

0

0 2 4 6

−1

−0.5

0

0.5

0 2 4 6−0.5

0

0.5

1

1.5

0 2 4 6−5

0

5x 10

−3

0 2 4 60

2

4x 10

−3

Px(m

)P

y(m

)P

z(m

)f x

(N)

Vx(m/s)

Vy(m/s)

Vz(m/s)

f h(N

)

temps (s)

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 49 / 70

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

Hala Rifaı

Sommaire

Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Test des commandes sur le modele complet

Angles (RTL) et vitesse angulaire, couples de commande

0 2 4 6−50

0

50

0 0.5 1 1.5 2

−20

0

20

0 0.5 1 1.5 2−20

0

20

40

0 2 4 6−50

0

50

0 0.5 1 1.5 2

−10

0

10

0 0.5 1 1.5 2−30

−20

−10

0

10

0 2 4 6

−1

0

1x 10

−6

0 0.5 1 1.5 2

−4

−2

0

2

x 10−6

0 0.5 1 1.5 2

−4

−2

0

2

x 10−6

η1(d

eg)

η2(d

eg)

η3(d

eg)

ω1(r

ad/s)

ω2(r

ad/s)

ω3(r

ad/s)

τ1(N.m

2(N.m

3(N.m

)

temps (s)

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 50 / 70

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

Hala Rifaı

Sommaire

Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Test des commandes sur le modele complet

Amplitudes des angles des ailes

0 2 4 6

−50

0

50

0 2 4 6

−50

0

50

0 2 4 6−50

0

50

0 2 4 6−50

0

50

φg 0

(deg

)

φd 0

(deg

)

ψg 0

(deg

)

ψd 0

(deg

)temps (s)

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 51 / 70

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

Hala Rifaı

Sommaire

Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Mouvement 3D

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 52 / 70

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

Hala Rifaı

Sommaire

Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Robustesse vis-a-vis de perturbations externes

Poids d’une goutte de pluie varie entre 5.10−6 N et 65.10−5 N.

Une petite goutte d’eau par rapport a l’insecte est equivalente aune charge de 200 Kg par rapport a un Boeing 747.

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 53 / 70

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

Hala Rifaı

Sommaire

Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Robustesse vis-a-vis de perturbations externes

Poids d’une goutte de pluie varie entre 5.10−6 N et 65.10−5 N.

Une petite goutte d’eau par rapport a l’insecte est equivalente aune charge de 200 Kg par rapport a un Boeing 747.

Perturbation assimilee a:- une force d’amplitude (5.10−3 N, 5.10−3 N, 3.10−3 N)

- un couple d’amplitude (3.10−5 N.m, 3.10−5 N.m, 3.10−5 N.m)

(dans Rm) appliquee a t = 7 s pendant 10 periodes debattement.

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 53 / 70

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

Hala Rifaı

Sommaire

Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Robustesse vis-a-vis de perturbations externes

Poids d’une goutte de pluie varie entre 5.10−6 N et 65.10−5 N.

Une petite goutte d’eau par rapport a l’insecte est equivalente aune charge de 200 Kg par rapport a un Boeing 747.

Perturbation assimilee a:- une force d’amplitude (5.10−3 N, 5.10−3 N, 3.10−3 N)

- un couple d’amplitude (3.10−5 N.m, 3.10−5 N.m, 3.10−5 N.m)

(dans Rm) appliquee a t = 7 s pendant 10 periodes debattement.

Perturbation consideree represente environ 1000 fois l’effet d’unegoutte d’eau

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 53 / 70

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

Hala Rifaı

Sommaire

Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Test des commandes sur le modele complet

Mouvement 3D

−0.50

0.51

−0.500.511.5−1.5

−1

−0.5

0

0.5

1

Px (m)Py (m)

Pz (m)

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 54 / 70

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

Hala Rifaı

Sommaire

Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Test des commandes sur le modele complet

Position et vitesse lineaires, forces de commande

0 5 10 15−0.5

00.5

1

0 5 10 15−0.5

00.5

1

0 5 10 15

−1

0

1

0 5 10 15−4

−2

0

0 5 10 15

−1

0

1

0 5 10 15−4

−2

0

2

0 5 10 15−5

0

5x 10

−3

0 5 10 150

2

4x 10

−3

Px(m

)P

y(m

)P

z(m

)f x

(N)

Vx(m/s)

Vy(m/s)

Vz(m/s)

f h(N

)

temps (s)

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 54 / 70

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

Hala Rifaı

Sommaire

Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Robustesse vis-a-vis de perturbations externes

Angles (RTL) et vitesse angulaire, couples de commande

0 5 10 15−200

0

200

0 5 10 15−50

0

50

0 5 10 15−200

0

200

0 5 10 15

0

2000

4000

6000

0 5 10 15

−50

0

50

0 5 10 15

−50

0

50

0 5 10 15−2

0

2x 10

−5

0 5 10 15

−1

0

1

2x 10

−5

0 5 10 15−1

0

1x 10

−4

η1(d

eg)

η2(d

eg)

η3(d

eg)

ω1(r

ad/s)

ω2(r

ad/s)

ω3(r

ad/s)

τ1(N.m

2(N.m

3(N.m

)temps (s)

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 55 / 70

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

Hala Rifaı

Sommaire

Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Robustesse vis-a-vis de perturbations externes

Angles (RTL) et vitesse angulaire, couples de commande

6.8 7 7.2 7.4−200

0

200

6.8 7 7.2 7.4−50

0

50

100

6.8 7 7.2 7.4−200

0

200

6.8 7 7.2 7.4−5000

0

5000

10000

6.8 7 7.2 7.4−100

0

100

6.8 7 7.2 7.4−100

0

100

6.8 7 7.2 7.4−2

0

2x 10

−5

6.8 7 7.2 7.4

−1

0

1

2x 10

−5

6.8 7 7.2 7.4−1

0

1x 10

−4

η1(d

eg)

η2(d

eg)

η3(d

eg)

ω1(r

ad/s)

ω2(r

ad/s)

ω3(r

ad/s)

τ1(N.m

2(N.m

3(N.m

)temps (s)

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 55 / 70

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

Hala Rifaı

Sommaire

Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Robustesse vis-a-vis de perturbations externes

Amplitudes des angles des ailes

0 5 10 15

−50

0

50

0 5 10 15

−50

0

50

0 5 10 15−50

0

50

0 5 10 15

−50

0

50

φg 0

(deg

)

φd 0

(deg

)

ψg 0

(deg

)

ψd 0

(deg

)temps (s)

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 56 / 70

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

Hala Rifaı

Sommaire

Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Robustesse vis-a-vis d’erreurs aerodynamiques

Le coefficient aerodynamique est soumis a une perturbation ad-ditive:

Cpert = C − ∆C

∆C est une variable aleatoire suivant une loi uniforme.

Effet: Reduction du coefficient aerodynamique de 0 a 57% desa valeur nominale.

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 57 / 70

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

Hala Rifaı

Sommaire

Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Robustesse vis-a-vis d’erreurs aerodynamiques

Mouvement 3D

−0.50

0.51

−0.500.511.5−1

−0.8

−0.6

−0.4

−0.2

0

0.2

Px (m)Py (m)

Pz (m)

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 58 / 70

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

Hala Rifaı

Sommaire

Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Robustesse vis-a-vis d’erreurs aerodynamiques

Position et vitesse lineaires, forces de commande

0 5 10−0.5

0

0.5

1

0 5 10−0.5

0

0.5

1

0 5 10

−1

−0.5

0

0.5

0 5 10−3

−2

−1

0

1

0 5 10−1

−0.5

0

0.5

0 5 10−0.5

0

0.5

1

0 5 10−5

0

5x 10

−3

0 5 100

2

4x 10

−3

Px(m

)P

y(m

)P

z(m

)f x

(N)

Vx(m/s)

Vy(m/s)

Vz(m/s)

f h(N

)

temps (s)

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 58 / 70

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

Hala Rifaı

Sommaire

Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Robustesse vis-a-vis d’erreurs aerodynamiques

Angles (RTL) et vitesse angulaire, couples de commande

0 2 4 6

−40

−20

0

20

0 0.5 1

−20

0

20

0 0.5 1

−20

0

20

40

0 0.5 1−10

0

10

20

30

0 0.5 1−10

0

10

20

0 0.5 1

−20

0

20

0 0.5 1−5

0

5

10x 10

−7

0 0.5 1−2

0

2

4x 10

−6

0 0.5 1−5

0

5x 10

−6

η1(d

eg)

η2(d

eg)

η3(d

eg)

ω1(r

ad/s)

ω2(r

ad/s)

ω3(r

ad/s)

τ1(N.m

2(N.m

3(N.m

)temps (s)

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 59 / 70

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

Hala Rifaı

Sommaire

Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Robustesse vis-a-vis d’erreurs aerodynamiques

Amplitudes des angles des ailes

0 5 10

−50

0

50

0 5 10

−50

0

50

0 5 10

−20

0

20

0 5 10

−20

0

20

φg 0

(deg

)

φd 0

(deg

)

ψg 0

(deg

)

ψd 0

(deg

)temps (s)

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 60 / 70

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

Hala Rifaı

Sommaire

Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Robustesse vis-a-vis d’une dissymetrie des forcesaerodynamiques

Reduction de la force developpee par l’aile gauche de 10 % desa valeur nominale.

Mouvement 3D

−0.50

0.51

−0.500.51−2

−1.5

−1

−0.5

0

0.5

1

Px (m)Py (m)

Pz (m)

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 61 / 70

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

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Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Robustesse vis-a-vis d’une dissymetrie des forcesaerodynamiques

Position et vitesse lineaires, forces de commande

0 2 4 6 8 10 12−0.5

0

0.5

1

0 2 4 6 8 10 12−0.5

0

0.5

1

0 2 4 6 8 10 12−2

−1

0

1

0 2 4 6 8 10 12−3

−2

−1

0

1

0 2 4 6 8 10 12−2

−1

0

1

0 2 4 6 8 10 12

−2

0

2

0 2 4 6 8 10 12−5

0

5x 10

−3

0 2 4 6 8 10 120

2

4x 10

−3

Px(m

)P

y(m

)P

z(m

)f x

(N)

Vx(m/s)

Vy(m/s)

Vz(m/s)

f h(N

)

temps (s)

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 61 / 70

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

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Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Robustesse vis-a-vis d’une dissymetrie des forcesaerodynamiques

Angles (RTL) et vitesse angulaire, couples de commande

0 5 10

0

100

200

0 0.5 1 1.5 2

−50

0

50

0 0.5 1 1.5 2−50

0

50

0 5 10

0

50

100

0 0.5 1 1.5 2−20

0

20

0 0.5 1 1.5 2−40

−20

0

20

40

0 5 10

−3

−2

−1

0

1x 10

−6

0 0.5 1 1.5 2

−2

0

2

4

6

x 10−6

0 0.5 1 1.5 2

−6

−4

−2

0

2x 10

−6

η1(d

eg)

η2(d

eg)

η3(d

eg)

ω1(r

ad/s)

ω2(r

ad/s)

ω3(r

ad/s)

τ1(N.m

2(N.m

3(N.m

)temps (s)

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 62 / 70

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volant

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Bilan

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Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Robustesse vis-a-vis d’une dissymetrie des forcesaerodynamiques

Amplitudes des angles des ailes

0 5 10

−50

0

50

0 5 10

−50

0

50

0 5 10

−20

0

20

0 5 10

−20

0

20

φg 0

(deg

)

φd 0

(deg

)

ψg 0

(deg

)

ψd 0

(deg

)

temps (s)

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 63 / 70

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d’un robotbiomimetique

volant

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Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Robustesse vis-a-vis de la position du centreaerodynamique

Erreur de [5, 50, 0] % par rapport a la valeur nominale

~r

~t

~n

Position nominale du centre aerodynamiquePosition reelle du centre aerodynamique

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 64 / 70

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d’un robotbiomimetique

volant

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Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Robustesse vis-a-vis de la position du centreaerodynamique

Mouvement 3D

−2

0

2

−0.500.511.52−1.5

−1

−0.5

0

0.5

1

Px (m)Py (m)

Pz (m)

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 65 / 70

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d’un robotbiomimetique

volant

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AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Robustesse vis-a-vis de la position du centreaerodynamique

Position et vitesse lineaires, forces de commande

0 5 10 15−1

0

1

0 5 10 15

0

1

2

0 5 10 15−2

−1

0

1

0 5 10 15−4

−2

0

0 5 10 15

−1

0

1

2

0 5 10 15−2

0

2

0 5 10 15−5

0

5x 10

−3

0 5 10 150

2

4x 10

−3

Px(m

)P

y(m

)P

z(m

)f x

(N)

Vx(m/s)

Vy(m/s)

Vz(m/s)

f h(N

)

temps (s)

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AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Robustesse vis-a-vis de la position du centreaerodynamique

Angles (RTL) et vitesse angulaire, couples de commande

0 5 10 15−150

−100

−50

0

50

0 5 10 15−50

0

50

0 5 10 15

−50

0

50

0 5 10 15

−40

−20

0

20

0 5 10 15

−10

0

10

20

30

0 5 10 15−20

0

20

0 5 10 150

2

4x 10

−6

0 5 10 15−5

0

5x 10

−6

0 5 10 15

−4

−2

0

2

x 10−6

η1(d

eg)

η2(d

eg)

η3(d

eg)

ω1(r

ad/s)

ω2(r

ad/s)

ω3(r

ad/s)

τ1(N.m

2(N.m

3(N.m

)temps (s)

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 66 / 70

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Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Robustesse vis-a-vis de la position du centreaerodynamique

Amplitudes des angles des ailes

0 5 10 15

−50

0

50

0 5 10 15

−50

0

50

0 5 10 15

−20

0

20

0 5 10 15

−20

0

20

φg 0

(deg

)

φd 0

(deg

)

ψg 0

(deg

)

ψd 0

(deg

)

temps (s)

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 67 / 70

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Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Sommaire

1 IntroductionProjets sur les drones a ailes battantesContexte du travail: Projet OVMIAvantages - Inconvenients du vol battuBilan de litterature et des contributions

2 Modele simple pour la commandeParametrisation du mouvement des ailesModele simplifie du drone a ailes battantesCalcul du modele moyen

3 Commande du drone a ailes battantesCommande de l’attitudeCommande de la position

4 Tests de robustesse

5 Contributions et Perspectives

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Modelisationet commande

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Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Contributions et Perspectives

Contributions au modele:

Modele simple du drone a ailes battantes

Equivalence entre le modele moyen et le modele instantane

Stabilisation globale de l’orientation et de la position

Commande en attitude utilisant un nombre minimal decapteurs

Commandes bornees (saturation des actionneurs au niveaudes ailes)

Commandes a faible cout de calcul

Robustesse vis-a-vis de perturbations, de parametres demodele, parametres aerodynamiques, etc.

Commandes independantes de l’inertie du systeme

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 69 / 70

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Modelisationet commande

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volant

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Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Contributions et Perspectives

Contributions au modele:

Modele simple du drone a ailes battantes

Equivalence entre le modele moyen et le modele instantane

Stabilisation globale de l’orientation et de la position

Commande en attitude utilisant un nombre minimal decapteurs

Commandes bornees (saturation des actionneurs au niveaudes ailes)

Commandes a faible cout de calcul

Robustesse vis-a-vis de perturbations, de parametres demodele, parametres aerodynamiques, etc.

Commandes independantes de l’inertie du systeme

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 69 / 70

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Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Contributions et Perspectives

Contributions au modele:

Modele simple du drone a ailes battantes

Equivalence entre le modele moyen et le modele instantane

Contributions a la commande:

Stabilisation globale de l’orientation et de la position

Commande en attitude utilisant un nombre minimal decapteurs

Commandes bornees (saturation des actionneurs au niveaudes ailes)

Commandes a faible cout de calcul

Robustesse vis-a-vis de perturbations, de parametres demodele, parametres aerodynamiques, etc.

Commandes independantes de l’inertie du systeme

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Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Contributions et Perspectives

Contributions au modele:

Modele simple du drone a ailes battantes

Equivalence entre le modele moyen et le modele instantane

Contributions a la commande:

Stabilisation globale de l’orientation et de la position

Commande en attitude utilisant un nombre minimal decapteurs

Commandes bornees (saturation des actionneurs au niveaudes ailes)

Commandes a faible cout de calcul

Robustesse vis-a-vis de perturbations, de parametres demodele, parametres aerodynamiques, etc.

Commandes independantes de l’inertie du systeme

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 69 / 70

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Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Contributions et Perspectives

Contributions au modele:

Modele simple du drone a ailes battantes

Equivalence entre le modele moyen et le modele instantane

Contributions a la commande:

Stabilisation globale de l’orientation et de la position

Commande en attitude utilisant un nombre minimal decapteurs

Commandes bornees (saturation des actionneurs au niveaudes ailes)

Commandes a faible cout de calcul

Robustesse vis-a-vis de perturbations, de parametres demodele, parametres aerodynamiques, etc.

Commandes independantes de l’inertie du systeme

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Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Contributions et Perspectives

Contributions au modele:

Modele simple du drone a ailes battantes

Equivalence entre le modele moyen et le modele instantane

Contributions a la commande:

Stabilisation globale de l’orientation et de la position

Commande en attitude utilisant un nombre minimal decapteurs

Commandes bornees (saturation des actionneurs au niveaudes ailes)

Commandes a faible cout de calcul

Robustesse vis-a-vis de perturbations, de parametres demodele, parametres aerodynamiques, etc.

Commandes independantes de l’inertie du systeme

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Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Contributions et Perspectives

Contributions au modele:

Modele simple du drone a ailes battantes

Equivalence entre le modele moyen et le modele instantane

Contributions a la commande:

Stabilisation globale de l’orientation et de la position

Commande en attitude utilisant un nombre minimal decapteurs

Commandes bornees (saturation des actionneurs au niveaudes ailes)

Commandes a faible cout de calcul

Robustesse vis-a-vis de perturbations, de parametres demodele, parametres aerodynamiques, etc.

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Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Contributions et Perspectives

Contributions au modele:

Modele simple du drone a ailes battantes

Equivalence entre le modele moyen et le modele instantane

Contributions a la commande:

Stabilisation globale de l’orientation et de la position

Commande en attitude utilisant un nombre minimal decapteurs

Commandes bornees (saturation des actionneurs au niveaudes ailes)

Commandes a faible cout de calcul

Robustesse vis-a-vis de perturbations, de parametres demodele, parametres aerodynamiques, etc.

Commandes independantes de l’inertie du systeme

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Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Contributions et Perspectives

Perspectives:

Finalisation de l’analyse theorique de la robustesse

Commande de la position par retour de mesure

Couplage entre le lacet et le mouvement longitudinal(orientation de l’insecte dans la direction du vol)

Etalonnage du modele de commande par rapport a unmodele aerodynamique plus fin

Validation sur un modele aerodynamique plus fin

Test des lois de commande sur un prototype (ANR EVA)

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 70 / 70

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Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Contributions et Perspectives

Perspectives:

Finalisation de l’analyse theorique de la robustesse

Commande de la position par retour de mesure

Couplage entre le lacet et le mouvement longitudinal(orientation de l’insecte dans la direction du vol)

Etalonnage du modele de commande par rapport a unmodele aerodynamique plus fin

Validation sur un modele aerodynamique plus fin

Test des lois de commande sur un prototype (ANR EVA)

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Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Contributions et Perspectives

Perspectives:

Finalisation de l’analyse theorique de la robustesse

Commande de la position par retour de mesure

Couplage entre le lacet et le mouvement longitudinal(orientation de l’insecte dans la direction du vol)

Etalonnage du modele de commande par rapport a unmodele aerodynamique plus fin

Validation sur un modele aerodynamique plus fin

Test des lois de commande sur un prototype (ANR EVA)

Hala Rifaı (gipsa-lab) Modelisation et commande d’un robot biomimetique volant 06/11/2008 70 / 70

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Modelisationet commande

d’un robotbiomimetique

volant

Hala Rifaı

Sommaire

Introduction

Projets ailesbattantes

Projet OVMI

AvantagesInconvenients

Bilan

Modelisation

Parametrisationdes ailes

Modele simplifie

Modele moyen

Commande

Attitude

Position

Robustesse

ContributionsPerspectives

Contributions et Perspectives

Perspectives:

Finalisation de l’analyse theorique de la robustesse

Commande de la position par retour de mesure

Couplage entre le lacet et le mouvement longitudinal(orientation de l’insecte dans la direction du vol)

Etalonnage du modele de commande par rapport a unmodele aerodynamique plus fin

Validation sur un modele aerodynamique plus fin

Test des lois de commande sur un prototype (ANR EVA)

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Modele moyen

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Contributions et Perspectives

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Finalisation de l’analyse theorique de la robustesse

Commande de la position par retour de mesure

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Etalonnage du modele de commande par rapport a unmodele aerodynamique plus fin

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