Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και τη μοντελοποίηση ενός ελεγκτή, ο οποίος δύναται να διατηρήσει τον έλεγχο ενός ιπτάμενου ελικοπτέρου τεσσάρων ελίκων γνωστό και ως quadrotor, σε περίπτωση δυσλειτουργίας κάποιου κινητήρα. Η μοντελοποίηση και η προσομοίωση γίνεται με τη βοήθεια του προγράμματος Μatlab/Simulink. Αναλυτικότερα, στο κεφάλαιο 1, γίνεται μια σύντομη παρουσίαση του quadrotor, αναφέροντας τον τρόπο λειτουργίας του και τους σημαντικότερους σταθμούς της ιστορίας του μέχρι σήμερα. Στη συνέχεια, επισημαίνεται η αναγκαιότητα ενσωμάτωσης συστημάτων αυτομάτου ελέγχου σε συστήματα που επηρεάζουν άμεσα ή έμμεσα την ανθρώπινη ζωή καθώς και η σπουδαιότητα βελτίωσης αυτών, κάνοντάς τα ανεχτικά σε σφάλματα και δυσλειτουργίες. Στο κεφάλαιο 2, μελετώνται οι εξισώσεις που περιγράφουν την κίνηση και τον προσανατολισμό του quadrotor. Έτσι δημιουργείται το μοντέλο του συστήματος, τόσο με σταθερό όσο και με μεταβλητό κέντρο μάζας, το οποίο θα χρησιμοποιηθεί στις προσομοιώσεις για την αξιολόγηση των ελεγκτών. Τονίζεται πως η αντίσταση του αέρα δεν θεωρείται πλέον αμελητέα καθώς επηρεάζει σε σημαντικό βαθμό τη κατάσταση του οχήματος. Στο κεφάλαιο 3, δίνεται το θεωρητικό υπόβαθρο στο όποιο θα στηριχτούν οι ελεγκτές που θα δημιουργηθούν. Πιο συγκεκριμένα, γίνεται μια παρουσίαση του ελεγκτή PID, καθώς και πως επηρεάζουν οι μεταβλητές του ένα σύστημα. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται σημαντικές πληροφορίες για την μοντελοποίηση των σφαλμάτων και το κεφάλαιο κλείνει με τη παρουσίαση ελεγκτών με ανοχή σε σφάλματα. Στο κεφάλαιο 4, παρουσιάζονται τα μοντέλα των ελεγκτών που χρησιμοποιήθηκαν στις προσομοιώσεις. Πιο αναλυτικά, ξεκινώντας από ένα ελεγκτή ικανό υπό προϋποθέσεις, καταλήγουμε σε ένα εύρωστο ελεγκτή αξιοποιώντας τη μετακίνηση του κέντρου μάζας. Για κάθε ελεγκτή δίνονται οι παράμετροι καθώς και η σχηματική του απεικόνιση στο simulink. Στο κεφάλαιο 5, παρουσιάζονται και σχολιάζονται αναλυτικά τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων. Δίνονται γραφήματα που αφορούν τη θέση και τον προσανατολισμό σε όλη τη διάρκεια της πτήσης αλλά και στο κρίσιμο μεταβατικό φαινόμενο. Τέλος, επισημαίνονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα καθενός από τους υλοποιημένους ελεγκτές. Στο κεφάλαιο 6, δίνονται τα συμπεράσματα, αναφέρονται παρόμοιοι ελεγκτές και επιτεύγματα στο τομέα αυτό καθώς και οι διαφορές των ήδη υπαρχόντων λύσεων με τη δική μας προσέγγιση. / In this thesis, a control system, capable of retaining the control of a quadrotor vehicle when one of its actuators fails, is studied and simulated. The software which was used for modeling and simulation is Matlab/Simulink. Specifically, in Chapter 1, there is a brief presentation of quadrotor, stating how it operates and mentioning the most important historical cornerstones. Subsequently, we point to the necessity of integration of automatic control systems to systems that directly or indirectly affect human life and the importance of their improvement by making them tolerant to errors and malfunctions. In Chapter 2, we study the equations that describe the movement and orientation of the quadrotor. Using these equations, the quadrotor model is created, both for fixed and movable center of mass, which will be used in this thesis’ simulations. It is important to mention that the air resistance is no longer considered negligible as it significantly affects the state of the vehicle. In Chapter 3, the theoretical background is given upon which the controllers will be implemented. More specifically, the PID controller is presented, and its influence on the system’s performance. The modeling of quadrotor’s faults is presented and the chapter ends with the presentation of fault tolerant controllers. Chapter 4 presents the controllers’ models which were used in the simulations. Specifically, starting from a controller designed around a nominal operating point, we arrive at a robust controller utilizing the movement of the center of mass. For each controller, its parameters are given as well as its model in Simulink. In Chapter 5, the simulations’ results are presented and discussed in detail. Graphs are used to show the position and the orientation not only throughout the flight but also during the critical transition phenomenon. Finally, advantages and disadvantages of each of the implemented controllers are stated. In Chapter 6, there is the conclusion of the thesis. Similar controllers or achievements are mentioned and how our approximation differs from the other existing solutions.

De nos jours, l'utilisation des drones miniatures à voilure tournante pour des missions d'observation dans des environnements hostiles est en pleine expansion. Ces appareils, grâce à leurs capacités à combiner le vol de translation avec le vol stationnaire, sont en effet bien adaptés aux besoins de ces missions. L'étude présentée dans cette thèse concerne un nouveau concept de drone appelé GLMAV (pour Gun Launched Micro Aerial Vehicle), qui consiste à rendre très rapidement opérationnel un véhicule hybride projectile - drone. La difficulté dans le pilotage de ce type de véhicules est d'assurer de bonnes performances de suivi de trajectoires tout en garantissant une résistance aux perturbations aérodynamiques. Après une étape de modélisation, le coeur de la thèse présente plusieurs stratégies de commande, aussi bien linéaires que non linéaires, permettant la navigation autonome du drone. Plusieurs approches permettant l'estimation et la prise en compte dans la commande des efforts parasites liés aux phénomènes aérodynamiques sont également détaillées. L'efficacité de tous les algorithmes de commande est ensuite illustrée par de nombreuses simulations numériques. Du point de vue pratique, une simple loi de commande ne suffit pas. En effet, des techniques de filtrage particulières ou des aménagements spécifiques doivent être utilisés pour reconstruire l'état du drone. Les performances de l'ensemble de la boucle de commande sont d'abord testées en simulation avant l'implantation sur le prototype du GLMAV développé par l'Institut franco-allemand de recherches de Saint-Louis / Nowadays, the use of rotary-wing MAV for observation missions in hostile environments is constantly growing. These aircrafts, through their ability to perform both translation flights and hover, are indeed well appropriate for these missions. The study presented in this thesis deals with a new MAV concept called GLMAV (for Gun Launched Micro Aerial Vehicle), which consists in getting very quickly up and running a projectile - MAV hybrid vehicle. The difficulty in controlling such vehicles is to ensure good trajectory tracking performances while guaranteeing robustness towards aerodynamic disturbances. After a modelling stage, the heart of the thesis introduces various control strategies, both linear and nonlinear, for the autonomous navigation of the MAV. Several approaches allowing the estimation and the consideration into the control of the parasitic efforts caused by aerodynamic phenomena are also detailed. The effectiveness of the control algorithms is then shown through many numerical simulations. From a practical point of view, having a control law is not enough. Indeed, special filtering techniques or specific equipments have to be used to reconstruct the system state. The performances of the overall control loop are firstly tested in simulation before its implementation on the GLMAV prototype developed by the French-German research Institute of Saint-Louis