Les limitations d’atterrissage des hélicoptères ne sont pas valables dans l'environnement à bord d’un navire. Il n'existe aucune méthodologie approuvée de l'analyse ou de la simulation pour évaluer la compatibilité des hélicoptères-navires et préparer les essais de qualification hélicoptères-navires. Dans ce contexte, le présent travail présente le développement et l'analyse d'une méthodologie hors ligne pour déterminer les limites opérationnelles hélicoptères-navires, SHOLs, en fonction des prédictions d’un modèle de pilote humain. Pour cela, des essais pilotés par des humains sont effectués au simulateur de l’ONERA, Salon de Provence. Sur la base des résultats de ces tests, une méthodologie innovante est validée pour déterminer la limitation de la charge de travail de pilotage, à partir des mesures des déplacements des contrôles d'hélicoptère. En outre, sont validés des modifications innovantes sur un modèle de pilote humain pour pouvoir suivre les trajectoires souhaitées et fournir le même niveau d'activité aux contrôles qu'un véritable pilote. Un ensemble de critères objectifs, correspondant aux marges de sécurité, s'ajoute aux critères subjectifs, correspondant aux limitations de la charge de travail du pilote. Une routine de simulation hors ligne, appelée SholSim, est programmée pour réaliser des simulations avec le modèle pilote et vérifier l'acceptabilité des conditions de vol, selon les critères subjectifs et objectifs. Par conséquent, le présent travail présente la première estimation, dans la littérature, des SHOLs entièrement obtenus à partir d'outils hors ligne, basés uniquement sur les prédictions de modèle pilote. / Helicopter land-based limitations are not valid in the shipboard environment. There is no analytical or simulated approved methodology for evaluating shipboard helicopter compatibility issues and preparing for at-sea flight tests. In this context, the present work presents the development and analysis of an offline methodology to determine the Ship-Helicopter Operating Limitations, SHOLs, based on pilot model predictions. For this, pilot-in-the-loop simulation trials are performed at the engineering fixed-base simulation facility of ONERA, Salon de Provence. Based on these test results, an innovative methodology is proposed and validated to determine the safe pilot workload limitation, from the measurements of the helicopter control displacements. In addition, it is proposed and validated innovative modifications on a classical pilot model enabling to follow complex predefined desired trajectories and provide the same level of control activity of a real pilot. A set of objective criteria, corresponding to the safety margins, is established in addition to the subjective criteria, corresponding to the safe pilot workload limitations. An offline simulation routine, so-called SholSim, is coded to run all models and verify the acceptability of the flight conditions, according to the subjective and objective criteria. Therefore, the present work presents the first estimation, in the literature, of the SHOLs fully obtained from offline tools, based only on pilot model predictions. The proposed methodology is promising, confirmed by predicting coherent limits when compared to the ones defined by the pilot-in-the-loop simulation trials.

Cette thèse développe une nouvelle approche de contrôle pour les avions à échelle réduite. Les lois de commande proposées exploitent un modèle non linéaire simple mais pertinent des forces aérodynamiques appliquées à l’aéronef. Ils reposent sur une structure hiérarchique de contrôle non linéaires, et sont synthétisées sur la base d’analyse de stabilité et de convergence théoriques. Ils sont conçus pour fonctionner sur un large domaine de vol. En particulier, ils évitent les singularités associées à la paramétrisation de l'attitude et la direction de la vitesse. Dans un premier temps, le problème de stabilisation de trajectoires de référence est résolu en étendant la méthode du "thrust vectoring", utilisée pour les véhicules à voilure tournante, au cas des aéronefs à voilure fixe. Dans le cas des avions, le principal défi est de prendre en compte les forces aérodynamiques dans la conception des systèmes de commande. Afin de résoudre ce problème, le contrôle proposé est conçu et analysé sur la base du modèle de forces aérodynamique proposé. Le domaine d'utilisation de cette loi de commande est élargi et englobe les trajectoires d'équilibre (trim trajectories) qui sont classiquement utilisées dans la littérature. Cette solution est ensuite adaptée au problème de suivi de chemin, afin de concevoir des lois de guidage cinématique et de contrôle dynamique applicables à presque tout chemin 3D régulier. Les lois de contrôle proposées contiennent des termes intégraux qui robustifient le contrôle vis-à-vis de dynamiques non modélisées. Plusieurs problèmes pratiques sont adressés et les lois de commande proposées sont validées par des simulations du type "hardware-in-the-loop". Enfin, des résultats d'essais en vol illustrent la performance des lois de contrôle proposées. / The present thesis develops a new control approach for scale-model airplanes. The proposed control solutions exploit a simple but pertinent nonlinear model of aerodynamic forces acting on the aircraft. Nonlinear controllers are based on a hierarchical structure, and are derived on the basis of theoretical stability and convergence analyses. They are designed to operate on a large spectrum of operating conditions. In particular, they avoid the singularities associated with the parameterization of the attitude and the heading of the vehicle, and do not rely on a decoupling between longitudinal and lateral dynamics. First, the trajectory tracking problem is addressed by extending the thrust vectoring method used for small rotor vehicles to the case of fixed wing vehicles. In the case of airplanes, the main challenge is to take into account the aerodynamic forces in the design of control systems. In order to solve this problem, the proposed control is designed and analyzed on the basis of the proposed aerodynamic forces model. The flight envelope is thus broadened beyond trim trajectories which are classically used in the literature. This solution is then adapted to the path following problem, and kinematic guidance and dynamic control laws are developed within a single coherent framework that applies to almost any regular 3D path. The proposed control laws incorporate integral terms that robustify the control with respect to unmodelled dynamics. Several practical issues are addressed and the proposed control laws are validated via hardware-in-the-loop simulations. Finally, successful flight test results illustrate the soundness and performance of the proposed control laws.