A l'heure actuelle, de nombreux projets d'utilisation de drones s'intéressent à la capacité des véhicules à alterner des phases de vols lentes et des phases de vol rapides. Cela permet entre autre, de traiter une plus grande diversité de missions que celles pouvant être accomplies par des avions conventionnels (approche de bâtiments, évolution en milieu urbain, prises de vue). Cette thèse s'intéresse à la commande de ce type de vecteur, avec l'application au VERTIGO, drone de type VTOL a rotors contrarotatifs et volets déflecteurs de flux. Sur la base d'une campagne en soufflerie, un modèle dynamique et cinématique a été développé. Les modèles obtenus ont permis d'étudier et de piloter l'engin sur un large domaine de vol (du vol stationnaire au vol d'avancement rapide). L'observation du comportement dynamique a conduit au choix de deux structures de pilotages pour couvrir toute l'enveloppe de vol ; une structure de pilotage à gains statiques auto séquencés de type retour d'´états longitudinaux et latéraux pour le vol d'avancement ; et une structure hiérarchique axe par axe pour le vol stationnaire et pseudo stationnaire, proche de ce qui peut être utilisé pour le pilotage des hélicoptères. Des outils d'analyse de robustesse (tel que la μ-analyse) sont utilisés pour prouver la stabilité de la boucle fermée tout au long des trajectoires en vol d'avancement. Un simulateur non linéaire a été développé pour implémenter les lois, analyser le comportement de l'engin durant la phase de transition et a permis une étude sur la génération de trajectoire optimale. Les algorithmes de pilotages ont ´et´e implant´es sur le calculateur embarqué et une campagne d'essais en vol indoor est également présentée.

Le Dynamic Soaring est une technique de vol qui extrait l'énergie du vent par des manoeuvres particulières. Il estdirectement inspiré par le vol des albatros, qui parviennent à se maintenir en vol sans battre des ailes sur des centaines dekilomètres. Les types de manoeuvres nécessaires ainsi que les dimensions de l'oiseau suggèrent un potentiel de transposerle Dynamic Soaring aux véhicules de faibles dimensions. Cette thèse étudie la faisabilité d'exploiter le Dynamic Soaring dansle but de longue endurance vol autonome. Modèles et simulations sont menées afin de dériver une trajectoire quimaintienne le véhicule en vol sans apport d'énergie interne et d'étudier la physique de ce vol particulier,. Ensuite, larecherche se concentre sur l'influence des variables d'environnement et du cap de vol sur les sur les performances parDynamic Soaring. / Dynamic Soaring is a flight technique which extracts energy from the wind through particular maneuvers. It is directlyinspired by the flight of Albatrosses, which manage to sustain non-flapping flight for hundred of miles. The types ofrequired maneuvers as well as dimensions of the bird suggest a potential to transpose Dynamic Soaring to small dimensionvehicles. This PhD investigates the feasibility to extract energy by Dynamic Soaring in the purpose of long enduranceautonomous flight. Models and simulation are conducted in order to investigate the physics of this particular flight as wellas the feasibility to derive a trajectory which keep the vehicle aloft without internal energy contribution. Then the researchfocuses on the influence of environment variables and of travel heading on Dynamic Soaring performances.

Le siècle dernier a été le siècle de la révolution technologique. Les combustibles fossiles ont alimenté cette révolution technologique. Les défis auxquels notre société est confrontée, que ce soit le changement climatique ou la situation énergétique mondiale ou l’épuisement des réserves de combustibles fossiles, sont les défis les plus graves auxquels sont confrontés toutes les générations. L'énergie renouvelable est considérée comme la clé des problèmes énergétiques de notre société. De nombreuses technologies innovantes se font concurrence pour alimenter la prochaine révolution énergétique. Sources d'énergies renouvelables telles que l'énergie solaire, l'énergie éolienne, la biomasse, l'hydroélectricité, l'énergie géothermique, etc. Presque tous sont saisonniers, et sont donc des sources d'énergie discontinues et non uniformes. Ils ont également une limitation en termes de choix des sites de production et, en général, nécessitent de grandes étendues de terre pour les plantes, ce qui conduit à une faible densité de puissance par unité de surface.Néanmoins, l'énergie éolienne et solaire a beaucoup attiré l'attention au cours des dernières décennies. Cependant, pour que le monde passe complètement des énergies fossiles et de l’énergie nucléaire à l’énergie éolienne et solaire, il est nécessaire de développer de nouveaux types de systèmes capables de générer de l’énergie à moindre coût avec moins de contraintes de sélection de sites.Dans la quête de la source d'énergie pérenne. Notre société se tourne vers la communauté scientifique pour des solutions innovantes. Cette thèse est une étape vers la recherche de solutions innovantes à nos problèmes énergétiques. Les systèmes d'énergie éolienne à haute altitude (HAWE) ou plus communément appelés systèmes éoliens aéroportés (AWES) sont considérés comme la réponse aux besoins énergétiques des générations futures. L'énergie éolienne aéroportée (AWE) est un concept innovant visant à utiliser l'énergie des courants de vent à haute altitude, car les courants de vent à haute altitude sont presque uniformes dans le monde entier et AWES peut pratiquement être installé partout dans le monde. De plus, les systèmes AWE proposés nécessitent moins de matériau de structure. Ils devraient donc être beaucoup moins chers que toute autre source d’énergie disponible. AWE est donc une perspective prometteuse dans cette quête pour trouver une solution à nos problèmes énergétiques.Dans ce travail, la faisabilité des systèmes d'énergie éolienne aéroportés basés sur Magnus est explorée. Le travail présente en détail un bref historique des systèmes d'énergie éolienne aéroportés et des concepts de base nécessaires pour développer une compréhension de la technologie AWE. Il examine en détail les systèmes aéroportés basés sur Magnus et donne une perspective historique sur les machines basées sur l’effet Magnus. Il présente en détail les propriétés aérodynamiques de l’effet Magnus et présente un modèle aérodynamique pour ces systèmes. Puisque la modélisation est un aspect important de toute technologie. Ce travail présente un modèle détaillé des systèmes AWE basés sur Magnus ainsi que les algorithmes de contrôle nécessaires au fonctionnement de tels systèmes. Les courbes de puissance sont des outils couramment utilisés pour analyser les systèmes d'énergie éolienne. Ce travail présente une approche pour la conception de courbes de puissance pour les systèmes AWE afin d'analyser les capacités de production d'énergie des systèmes d'énergie éolienne aéroportés. / Last century has been the century of the technology revolution. Fossil fuels have fueled this technology revolution. The challenges faced by our society be it the climate change or the world energy situation or the depletion of fossil fuel reserves are the most grievous challenges faced by any generation. Renewable energy is believed to be the key to energy problems of our society. There are many innovative technologies competing against each other to fuel the next energy revolution. Renewables sources of energies such as solar, wind, biomass, hydropower, geothermal etc. Though promising but due to the high economic cost and limited application they are yet to prove their mass scale applicability. Almost all of them are seasonal, hence, are discontinuous and non-uniform sources of energy. They also have a limitation in terms of choice of plant sites, and generally, require large tracts of land for plants which lead to low power density per unit area.Nonetheless, Wind and Solar energy have attracted a lot of attention in the last few decades. However, for the world to fully shift from fossil fuels and nuclear energy to Wind and Solar power, it is necessary to develop new kind of systems which can generate continuous power at a lower cost with fewer site selection constraints.In the quest to find the perennial clean source of energy. Our society is looking towards the scientific community for innovative solutions. This thesis is one such step towards finding innovative solutions to our energy problems. High altitude wind energy systems (HAWE) or more commonly known as Airborne wind energy systems (AWES) are believed to be the answer to the energy needs of the future generations. Airborne wind energy (AWE) is an innovative concept aiming at utilizing the energy of the high altitude wind currents, as high altitude wind currents are almost uniform across the globe, and AWES can be practically set-up anywhere around the world. Also, the proposed AWE systems require less structural material. Thus, they are expected to be much cheaper than any other available energy source. Therefore, AWE is a promising prospect in this quest to find a solution to our energy problems.In this work, the feasibility of Magnus-based airborne wind energy systems is explored. The work presents in detail a brief history of Airborne wind energy systems and the basic concepts needed to develop an understanding about the AWE technology. It discusses in detail Magnus-based airborne systems and gives a historical perspective on the Magnus-effect based machines. It discusses in detail the aerodynamical properties of the Magnus effect and presents an aerodynamic model for such systems. Since modeling is an important aspect of any technology. This work presents a detailed model of the Magnus-based AWE systems along with the control algorithms required for the operation of such systems. A common tool used to analyze wind-based energy systems is power curves. This work presents an approach to design power curves for AWE systems in order to analyze the power producing capabilities of Airborne wind energy systems.

Cette thèse s'intéresse au diagnostic de pannes dans les systèmes différentiellement plats, ceci constituant une large classe de systèmes non linéaires. La propriété de platitude différentielle est caractérisée par des relations qui permettent d'exprimer les états d'un système et ses entrées en fonction de ses sorties plates et de leurs dérivées. Ces relations qui sont à la base de la commande plate sont aussi utiles pour la réalisation du diagnostic de pannes. Ainsi sont introduites les notions de minimalité pour les sorties plates, de platitude stricte et de degré additionnel de redondance. Ceci conduit à la proposition d'une méthode globale de détection de pannes basée sur la platitude. Partant alors de la constatation que les systèmes différentiellement plats de complexité élevée sont souvent constituer de sous systèmes eux-mêmes différentiellement plats, l'approche de détection de pannes précédente peut être démultipliée au sein de cette structure de façon à en identifier les sous systèmes défaillants. On s'intéresse alors au cas courant de la platitude différentielle implicite et on montre dans le cadre d'une application aéronautique comment les réseaux de neurones permettent de constituer une solution numérique au problème de détection de pannes. La disponibilité en temps réel de dérivées successives des sorties étant essentielle pour la mise en oeuvre de ces méthodes, on étudie alors les performances d'un filtre dérivateur alors que le système est lui-même soumis à une commande plate, ceci conduira a modifié légèrement une telle loi de commande afin d'effectuer l'effet des erreurs d'estimation. On s'intéresse finalement à la détection des pannes dans les systèmes chaotiques différentiellement plats. On montre sur plusieurs exemples comment la propriété de platitude peut être mise à profit pour détecter et identifier des variations paramétriques au sein d'un tel type de système chaotique. Des résultats de simulation sont présentés. Finaleme nt des thèmes de recherche complémentaires à cette approche sont relevés.

Le travail présenté dans ce mémoire de thèse s'inscrit dans le cadre de la commande non-linéaire et robuste des avions de transport. Le but de cette thèse est de coupler les propriétés de la commande non-linéaire (adaptation aux non-linéarités de l'avion, synthèse de correcteurs explicites, facilité de réglage une fois la synthèse réalisée, généricité des lois de commande obtenues) à des propriétés de robustesse indispensables à l'activité aéronautique. En effet, pour garantir la sécurité des vols tant en pilotage manuel qu'en pilotage automatique, les lois de commande doivent présenter des propriétés fortes de stabilité et de performances robustes. Après une introduction au contexte industriel et de recherche du sujet de thèse, une partie "techniques, méthodes et outils" nous permet de mettre en avant les contributions du travail de thèse dans les domaines de la commande non-linéaire robuste et de la modélisation automatique. La technique de commande non-linéaire robuste présentée, appelée commande RMI (Robust Multi-Inversion) s'appuie sur la technique désormais classique d'inversion de la dynamique, notamment étudiée à Airbus depuis quelques années (Fabrice VILLAUME, Jean DUPREZ) et qu'elle robustifie par l'adjonction d'une boucle supplémentaire d'observation. Nous présentons aussi un outil de génération automatique de modèles non-linéaires, multivariables et embarquables, ainsi que les méthodes afférentes basées sur les réseaux de neurones. Cet outil est nécessaire à l'industrialisation des lois de commandes non-linéaires basées modèles. La partie applicative de la thèse souligne ensuite les particularités du système "avion" et propose des architectures de lois de commande, des trajectoires de référence associées, et la validation avancée de l'ensemble par simulations sur simulateur certifié. Enfin, après une conclusion sur le bilan de la thèse et les perspectives envisageables, nous proposons des annexes permettant d'approfondir certains aspects de notre ét ude.

Cette thèse se place dans le contexte de la croissance soutenue du trafic aérien. Elle concerne l'assistance automatisée au contrôle du trafic aérien qui vise à augmenter la capacité des secteurs de contrôle en transférant à l'équipage certaines tâches de nos jours dévolues au contrôleur aérien. Il s'agit plus particulièrement de renforcer la coopération entre l'équipage et le contrôleur aérien en vue de faciliter la tache de régulation des flux de trafic aérien. Le travail réalisé dans cette thèse est relatif à la mise en oeuvre de techniques de commande des systèmes non linéaires à plusieurs échelles de temps. Il a été réalisé à l'initiative du Centre d'Etudes de La Navigation Aérienne (CENA) au LAAS du CNRS à Toulouse en collaboration avec l'Ecole Nationale de l'Aviation Civile (ENAC). De manière concrète, il consiste principalement en la synthèse et l'évaluation de lois de guidage permettant la navigation relative entre aéronefs. Ces lois de guidage pourraient être embarquées à bord des aéronefs afin d'aider le contrôleur aérien dans sa tâche de régulation des flux de trafic. Au chapitre II, nous commençons par présenter le contexte actuel du contrôle du trafic aérien et les voies actuelles d'investigation dans le domaine de son automatisation. Cette présentation permet de distinguer deux types de guidage relatif : d'une part le guidage relatif en temps où l'aéronef suiveur vient se placer sur la position qu'occupait le leader quelques minutes plus tôt, et d'autre part le guidage relatif en distance où l'aéronef suiveur vient se placer à une distance donnée du leader. Un état de l'art sur les lois de guidage relatif entre aéronefs est ensuite réalisé au chapitre III. Comme il existe très peu de références bibliographiques dédiées aux lois de commande pour le guidage relatif entre aéronefs de transport commercial, l'état de l'art s'est focalisé sur les lois de commande appliquées au vol en formation d'engins volants, dont le guidage relatif peut être considéré comme un cas particulier (il englobe en plus la phase de rejointe de la formation). Un modèle de synthèse décrivant la dynamique de guidage d'un avion de transport commercial dont les fonctions de pilotage sont automatisées est ensuite proposé au chapitre IV. Ce modèle permet une synthèse hiérarchisée de lois de guidage relatif en s'appuyant sur les fonctions de pilotage classique de l'avion. Après avoir envisagé l'utilisation de lois linéaires de type proportionnelle et dérivée et précisé les objectifs de commande en terme de spécification des modes propres au chapitre V, deux techniques de commande non linéaire sont alors mises en oeuvre : le backstepping et le bouclage linéarisant basé sur la propriété de platitude. Au chapitre VI, deux lois de guidage basées sur la technique du backstepping sont développées. Elles permettent de réaliser un guidage relatif en temps. L'utilisation de cette technique permet de contourner un problème de singularité des lois conçues par des méthodes de type bouclage linéarisant lorsque les écarts sont exprimés dans le repère lié à l'avion suiveur. La loi de guidage basée sur la propriété de platitude du modèle de synthèse est développée au chapitre VII. Elle permet de réaliser un guidage relatif en distance. L'intérêt de cette approche est qu'elle permet de tenir compte de la contrainte d'espacement entre les aéronefs afin de renforcer la sécurité des manoeuvres de guidage relatif. Ces trois approches (loi proportionnelle et dérivée, backstepping et bouclage linéarisant basé sur la platitude) sont évaluées dans un dernier temps au chapitre VIII sur un jeu de scenarii réaliste d'un point de vue contrôle du trafic aérien. Le chapitre IX apporte la conclusion générale à cette thèse : il fait le bilan des résultats obtenus et indique de nouvelles pistes d'investigation dans ce domaine.

Le décrochage profond est un cas particulier du décrochage d’un avion, où l'empennage horizontal est entièrement situé dans le sillage décollé de la voilure principale. Le plan perd ainsi son efficacité, ce qui se traduit par une position d'équilibre en tangage stable, à une incidence élevée, dont il est impossible de sortir par une manœuvre simple. L’objectif de cette étude est de caractériser l’aérodynamique associée à ce phénomène et de proposer une procédure d’identification et de récupération. Il est proposé une démarche visant à déterminer la dynamique bidimensionnelle de l’écoulement autour d’une configuration aéronautique de référence. Les coefficients aérodynamiques, obtenus dans une large plage d’incidence, mettent en évidence l’effet de l’interaction entre les profils sur le décrochage, qui impacte principalement le profil aval. L’analyse des champs de vitesse fournit l’étendue et l’évolution axiale des sillages des profils. Un traitement des champs de vitesse par moyennes de phase permet de reconstruire la dynamique temporelle. À partir de ces résultats, un modèle potentiel de forçage de l’écoulement autour du profil aval permet d’expliquer la modification du coefficient de portance imposé par l’interaction. Des simulations numériques de l’écoulement, qui fournissent des champs résolus en temps, permettent de retrouver certaines évolutions expérimentales. L’ensemble des résultats est utilisé, en parallèle à des données issues d’un aéronef réel, dans un modèle de vol longitudinal afin d’analyser le comportement dynamique de l’avion. Des critères permettant d’identifier la dynamique qui conduit à cet équilibre, fournissent une détection précoce de ce dernier. / Deep stall is a specific type of airplane stall, in which the horizontal tail is inside the detached wake of the main wing. The tail loses its efficiency, leading to a stable pitching equilibrium position with a high angle-of-attack, without any easy recovery procedure. The aim of the study is to characterize the aerodynamic associated to that phenomenon in order to propose an identification and recovery procedure. The approach consists in a two-dimensional flow characterization based on an aeronautical reference configuration. Aerodynamic coefficients, obtained for a wide range of angles-of-attack, show the interaction between the airfoils on the stall of the downstream airfoil. The analysis of velocity fields gives the width and the axial development of the airfoils wakes. Phase-averages of velocity fields lead to the synthesis of flow time-development. With these results, a potential model of flow forcing on the downstream airfoil explains the lift coefficient alteration imposed by the interaction. Flow numerical simulations, giving time-resolved fields, provide good accordance with experimental developments .The whole set of results is used, concurrently with real aircraft data, inside a longitudinal flight model in order to analyze the airplane dynamical behavior. Criteria for the identification of the dynamic leading to that equilibrium provide a rapid detection of deep stall and the implementation of a recovery strategy.