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.

This is a master thesis by Maria Ader and David Axelsson, students at the Master of Science in Engineering degree program in Design and Product Realization at KTH, within the master program Integrated Product Design. The thesis work will benefit ÅF and the EU project ɪɴᴛᴇʀᴀᴄᴛ. The ɪɴᴛᴇʀᴀᴄᴛ project is part of the EU’s effort to forward climate research, and aims to “coordinate and harmonize research and monitoring efforts that will greatly contribute to our knowledge and understanding of changes occurring in the arctic environment.” One out of 12 subprojects within ɪɴᴛᴇʀᴀᴄᴛ aims to “increase awareness of drone technology and sensors among researchers and research station managers while making industry aware of innovative potential uses requiring drone and sensor development.” A drone is an unmanned aerial system/vehicle (UAS/UAV), i.e. an airborne vehicle without a human pilot aboard. This master thesis examines the need of drones at the ɪɴᴛᴇʀᴀᴄᴛ research stations and how arctic climates affect drone technology and the ergonomics of piloting a drone. The thesis also provides an overview of the current state of the drone market and the laws and regulations that affect the use of drones. A survey was distributed within ɪɴᴛᴇʀᴀᴄᴛ to map the researchers’ need of, and attitudes towards, drones, followed by exhaustive interviews with researchers and other key figures. Field testing at Tarfala Research Station provided complementing data. The primary insight from the study was that the researchers’ need, as well as the tasks and methods that they employ, vary greatly. Another insight was that many researchers want to use drones primarily as a sensor platform to collect data from large areas in a short time span. A situation-based drone recommendation and a concept proposal for a simple water sampling solution were made based on the results of the study / Detta är ett examensarbete utfört av Maria Ader och David Axelsson, studenter på civilingenjörsprogrammet Design och Produktframtagning på KTH, med masterinriktning Teknisk Design. Arbetet är utfört åt ÅF i syfte att bidra till EU-projektet ɪɴᴛᴇʀᴀᴄᴛ. Iɴᴛᴇʀᴀᴄᴛ är EU:s satsning på klimatforskning i Arktis och syftar till att “koordinera och harmonisera forskning och miljöbevakning som bidrar till vår kunskap och förståelse av förändringar som sker i de arktiska miljöerna.” Ett av tolv delprojekt inom ɪɴᴛᴇʀᴀᴄᴛ-projektet syftar till att öka medvetenheten om drönarteknologi och sensorer bland forskare och föreståndare på forskningsstationerna inom ɪɴᴛᴇʀᴀᴄᴛ, samt att göra drönarindustrin medveten om nya potentiella användningsområden. En drönare är ett obemannat luftfartyg, d.v.s. en flygfarkost utan pilot ombord. Drönare benämns ibland som “UAS” och “UAV”. I den här rapporten används främst den engelska termen “drones”. Detta examensarbete undersöker behovet av drönare på de forskningsstationer som är delaktiga i ɪɴᴛᴇʀᴀᴄᴛ och hur det arktiska klimatet påverkar drönartekniken och ergonomin. Arbetet kartlägger även drönarmarknaden och de lagar och regler som påverkar användandet av drönare. En utförlig studie genomfördes, där forskarnas behov av drönare undersöktes. En enkät skickades ut inom ɪɴᴛᴇʀᴀᴄᴛ och utförliga intervjuer genomfördes med forskare och andra nyckelpersoner. Ett studiebesök på Tarfala forskningsstation kompletterade med fältdata. Den främsta insikten från studien var att behov, arbetsuppgifter och metoder varierar mycket mellan de olika forskarna. En annan insikt var att många ville använda drönare som sensorbärare, och på så sätt insamla data från stora områden på kort tid. Resultatet från studien låg till grund för en situationsbaserad drönarrekommendation samt ett konceptförslag för en enkel vattenprovtagningslösning.

L’aérodynamique de l’hélicoptère est fortement impactée par les tourbillons générés aux extrémités de pales. La complexité des phénomènes en jeux et l’insuffisance de données expérimentales locales font du design d’extrémité un véritable défi. Cette étude propose une nouvelle approche dédiée à l’étude des extrémités en vol stationnaire. Une méthode numérique rapide et précise est mise au point afin d’étudier une extrémité de pale en rotation comme une extrémité d’aile fixe. Chaque étape de la construction de la méthode est validée par des comparaisons détaillées avec des données expérimentales publiées. Le code CFD elsA est dans un premier temps utilisé pour mettre en place une méthode de calcul basée sur la résolution des équations Reynolds-Averaged Navier-Stokes en stationnaire. La convergence de la solution et l’indépendance au maillage et aux paramètres numériques sont étudiées en détail en deux, puis en trois dimensions. La précision importante de la solution numérique permet d’analyser finement la physique de l’enroulement tourbillonnaire en extrémité. Des géométries tronquée et arrondie sont étudiées en détail, et révèlent la présence de systèmes tourbillonnaires complexes. Puis la nouvelle méthode d’adaptation pale en rotation / aile fixe est présentée. Une méthode de calcul hybride est mise au point entre le code de mécanique du vol HOST et le code elsA. En repère fixe, l’aérodynamique globale sur la pale et locale en extrémité est calculée fidèlement pour toutes les configurations étudiées. Comparée aux méthodes d’adaptation précédemment publiées, cette nouvelle stratégie offre une amélioration considérable concernant la simulation de l’aérodynamique de pale. / Helicopter aerodynamics is strongly influenced by the vortices generated from the rotor-blade tips. The design of efficient tip shapes is a challenging task because of the complexity of the aerodynamic phenomena involved and the lack of local blade-tip flow measurements. This work provides a contribution to the design of helicopter tips in hover. An efficient, relatively simple and quick numerical method is set up to study rotating blade tips in fixed-wing configurations. The accuracy of the method is shown at each step of the construction by comprehensive comparisons with reliable experimental data from the literature. First, an efficient steady Reynolds-Averaged Navier-Stokes method is constructed using ONERA's elsA code. Comprehensive studies of convergence, grid dependence and sensitivity to the numerical method are performed in two and three dimensions. The very good agreement of the solution with measurements and the accuracy of the numerical method allow a physical analysis with unprecedented detail of the vortex generation and roll-up near square and rounded wing tips. The new methodology of framework adaptation is then presented. An uncoupled hybrid strategy is set up using AIRBUS HELICOPTERS' Comprehensive Analysis code HOST and the Computational Fluid Dynamics solver elsA. Global and local performance calculations are validated for all investigated test cases. Comparison with previously published adaptation methods indicates considerable improvement in the prediction of the blade aerodynamics.

Micro air vehicles have recently gained popularity due to their potential as autonomous systems. Their future impact, however, will depend in part on how well they can navigate in GPS-denied and GPS-degraded environments. In response to this need, this dissertation investigates a potential solution for GPS-denied operations called relative navigation. The method utilizes keyframe-to-keyframe odometry estimates and their covariances in a global back end that represents the global state as a pose graph. The back end is able to effectively represent nonlinear uncertainties and incorporate opportunistic global constraints. The GPS-denied research community has, for the most part, neglected to consider fixed-wing aircraft. This dissertation enables fixed-wing aircraft to utilize relative navigation by accounting for their sensing requirements. The development of an odometry-like, front-end, EKF-based estimator that utilizes only a monocular camera and an inertial measurement unit is presented. The filter uses the measurement model of the multi-state-constraint Kalman filter and regularly performs relative resets in coordination with keyframe declarations. In addition to the front-end development, a method is provided to account for front-end velocity bias in the back-end optimization. Finally a method is presented for enabling multiple vehicles to improve navigational accuracy by cooperatively sharing information. Modifications to the relative navigation architecture are presented that enable decentralized, cooperative operations amidst temporary communication dropouts. The proposed framework also includes the ability to incorporate inter-vehicle measurements and utilizes a new concept called the coordinated reset, which is necessary for optimizing the cooperative odometry and improving localization. Each contribution is demonstrated through simulation and/or hardware flight testing. Simulation and Monte-Carlo testing is used to show the expected quality of the results. Hardware flight-test results show the front-end estimator performance, several back-end optimization examples, and cooperative GPS-denied operations.