A l'heure où le monde entier appelle à développer de nouvelles technologies de transport afin de faire face au défi écologique, des projets de dirigeables gros porteurs permettent de relever ce défi. En outre, les dernières avancées technologiques dans le domaine de l'aérospatiale ont permis de résoudre un certain nombre de problèmes responsables de l'hibernation des grands dirigeables pendant plus d'un demi-siècle. Ceci a donné naissance à de nouveaux types de dirigeables gros porteurs. Dans cette thèse, le modèle dynamique du dirigeable gros porteur est défini afin de concevoir un contrôleur efficient.La particularité du dirigeable présenté est sa capacité de charger et de décharger le fret en vol stationnaire, ce qui permet de réduire l'apport logistique et humain par rapport à des scénarios comportant un atterrissage et permet ainsi l'utilisation de cet engin dans des zones ayant peu ou pas d'infrastructure.Ce dirigeable est muni d'une grue formée par un robot parallèle à câbles (RPC) permettant d'optimiser le chargement et déchargement. Cette phase étant la plus sensible, car la charge suspendue peut osciller dangereusement notamment sous l'effet de bourrasques de vent sur le dirigeable. Nous avons concentré nos efforts dans cette thèse à l'analyse de cette phase critique.Le dirigeable gros porteur sera représenté par un système multi-corps composé de plusieurs corps reliés entre eux par des articulations. Les contributions de la thèse sont présentées en deux parties. Dans la première partie, nous supposons qu'il n'y a pas de couplage inertiel entre le dirigeable et le RPC. Ainsi nos recherches ne concernent que le RPC en tenant compte de la mobilité de la base suspendue par des câbles considérés dans un premier temps comme idéaux, puis les phénomènes d'affaissement et de flexibilité des câbles seront pris en compte. La conception de la commande de ce système doit aussi intégrer une répartition optimale de la tension car les câbles doivent à chaque configuration rester tendus. Dans la deuxième partie, nous abordons l'analyse du système global en considérant l'effet de couplage inertiel entre la charge utile suspendue et le dirigeable. Le modèle dynamique de ce système multicorps formé par le dirigeable et le RPC peut être modélisé comme une interconnexion de sous-systèmes d'ordre inférieur. Nous supposons que le dirigeable gros porteur est un sous-système faiblement couplé. En se basant sur cette hypothèse, un contrôleur décentralisé est proposé permettant de contrôler indépendamment le dirigeable et le RPC. Les résultats des simulations numériques sont présentés et montrent la puissance de ce contrôleur. / In the recent years, researchers have become increasingly interested in the development of radically new and sustainable transportation modes for both passengers and cargo. These challenges have led to study in areas of knowledge that were dormant, such as the potential of using lighter than air aircraft for cargo transportation. The focus of this thesis is the development of a control architecture that can be integrated on autonomous heavy lift airship and thereby enables safe cargo exchange process. Besides, the dynamic model of the heavy lift airship must be clarified before designing a controller. This system makes use of a Cable Driven Parallel Manipulator (CDPM), allowing the airship to load and unload cargo while hovering. The heavy lift airship is a multi-body systems in which multiple rigid bodies are joined together. During loading and unloading process, the transferred cargo can oscillate due toairship maneuvers. On the other hand, the pendulum-like behavior of suspended load canalter the flight characteristics of the airship. The thesis contributions are presented in two parts. In the first part, we assume that there is no inertial coupling between the airship and CDPM. Hence, our researches concern only the CDPM tacking into account the base mobility at first and then the cable sagging phenomena. The control design should integrate an optimal tension distribution since cables must remain in tension.In the second part, we address the analysis of the heavy lift airship considering the coupling effect between the suspended payload and the airship. To describe the dynamics coupling, the basic motion of one subsystem is regarded as an external disturbance input for the other one. Hence, the dynamic model of this multi-body system composed of the airship and the CDPM can be modeled as an interconnection of lower order subsystems. We assume that the heavy lift airship is a weakly coupled subsystems. Based on this assumption, we design a decentralized controller, which makes it possible to control the airship and the CDPM independently. Numerical simulation results are presented and stability analysis are provided to confirm the accuracy of our derivations.

Un dirigeable haute altitude (HAA: High Altitude Airship) évoluant à plus de 20 km au-dessus du sol est envisagé en tant que plate-forme d'accueil pour un réseau d'antennes spirales pour des applications radar. L'antenne spirale d'Archimède est un excellent élément rayonnant pour des applications nécessitant une large bande de fréquences ainsi qu'une polarisation circulaire. Dans la plupart des cas, l'alimentation se fait au centre de l'antenne spirale. Cependant, certains environnements interdisent un accès au centre de l'antenne. Cela est notamment le cas des plateformes aéroportées tels que les dirigeables. Celles-ci ne permettent pas de conformer un réseau d'antennes spirales tout en accédant à leur centre. Il est donc indispensable, dans ces cas, d'alimenter l'antenne autrement. Une solution est d'exciter l'antenne spirale par l'extérieur avec plusieurs sources. L'objectif de cette étude est d'obtenir des caractéristiques de rayonnement similaires à celles de l'antenne spirale d'Archimède tout en libérant le centre. Plusieurs solutions d'alimentation dans le plan de l'antenne sont étudiées. Pour chaque antenne, un prototype a été réalisé et mesuré dans une chambre anéchoique. Les résultats obtenus correspondent à de ceux de la simulation, ce qui nous permet de valider le fonctionnement des différents prototypes.

Récemment, le robot dirigeable a attiré l'attention de plus en plus des chercheurs grâce à ses avantages par rapport à d'autres aéronefs, tels que la capacité de VTOL, le vol stationnaire et à basse vitesse, une grande autonomie, et une interaction Homme-Robot sûre, etc. Ainsi c'est une plate-forme idéale pour diverses applications d'intérieur. Dans cette thèse, nous étudions la modélisation et le contrôle du mouvement d'un robot dirigeable d'intérieur et développons un prototype pour les opérations intérieures comme la surveillance. Le travail est composé de parties théoriques et pratiques. Concernant la partie théorique, d’abord, sous des hypothèses raisonnables, le modèle dynamique à 6-DOF est simplifié et divisé en deux parties indépendantes: le mouvement de l’altitude et le mouvement dans le plan horizontal. Ensuite, à fin d'assurer la précision de la modélisation et du contrôle, le modèle nominal est complété par des termes de perturbation qui sont estimés en temps réel et compensés dans les contrôleurs conçus. Des simulations sont effectuées pour vérifier les performances et la robustesse des contrôleurs. Pour la partie pratique du travail, basée sur l'analyse des fonctionnalités du robot afin de réaliser les applications intérieures souhaitées, le matériel du robot dirigeable est conçu et créé. Enfin, de vrais tests sont effectués sur la plate-forme de robot dirigeable pour la validation des lois de contrôle de mouvement conçues, et des résultats satisfaisants sont obtenus. / Recently, the blimp robot has attracted more and more attentions of the researchers for its advantages compared to other aircrafts, such as ability for VTOL, stationary and low speed flight, long endurance in air and safe Human-Robot interaction, etc. Therefore it is an ideal platform for various indoor applications. In this thesis, we study the modeling and motion control of an indoor blimp robot, and develop a real robot for indoor operations such as the long-term surveillance. The work is composed of both theoretical and practical parts. For the theoretical part, first, under reasonable assumptions, the 6-DOF dynamic model is simplified and divided into two independent parts: the altitude motion and the horizontal plane movement. Then, to ensure the accuracy of modeling and control, the nominal model is complemented with disturbance terms which are estimated in real-time and compensated in the designed controllers. Simulations are carried out to verify the performance and robustness of the controllers. For the practical part of the work, based on the functionality analysis of the robot to achieve desired indoor applications, the hardware of the blimp robot is conceived and created. Finally, real tests are made on the blimp robot platform for the validation of the designed motion control laws, and satisfying results are obtained.

Cette thèse concerne l'élaboration d'un modèle dynamique pour des ballons dirigeables, la conception de lois de commande pour l'asservissement de la vitesse, de l'altitude et du cap dans le vol de croisière, et la planification de chemins optimaux ainsi que leur contrôle de leur exécution. Ce travail a été réalisé dans le cadre d'une convention de cotutelle entre l'INSA de Toulouse - France et l'Université de los Andes à Bogotá - Colombie. La première partie du travail concerne la détermination du modèle mathématique de la dynamique du dirigeable. Le modèle analytique a été obtenu à partir d'une étude mécanique et aérodynamique. Les paramètres du modèle ont été repris dans un première temps d'un travail précèdent, basé sur des expérimentations effectuées en soufflerie. Ensuite, l'identification des coefficients aérodynamiques du modèle complet et des modèles réduits (sous-modèles de commande), a été réalisée avec des techniques classiques et le filtre de Kalman comme estimateur paramétrique. Dans une deuxième partie, des stratégies de commandes ont été étudiés (principalement PID, GPC et commande non-linéaire de type premier ordre) basées sur un découplage de la vitesse de déplacement et des dynamiques relatives aux plans de navigation latéral et longitudinal. Ensuite, les asservissements de bas niveau ont été établis et une approche de la planification de chemins optimaux a été effectuée avec la théorie de la commande optimale et le géométrie. Deux extensions du modèle initial pour la planification ont aussi été proposées et résolues par des méthodes numériques. Une boucle de haut niveau assurant l'asservissement de la trajectoire planifiée a été développée. Ces différents résultats ont été validés par de nombreux tests en simulation, avec et sans vent, et les asservissements en vitesse, cap et altitude on été évalués sur les ballons UrAn à Bogotá et Karma à Toulouse.