This work considers an aerial robot system composed of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) and a rigid manipulator, to be employed in mobile manipulation tasks. The strategy adopted for accomplishing the aerial manipulation is a decomposition of the previous system in two decoupled subsystems: one concerning the center of mass of the aerial robot; and another concerning the manipulator's orientation. Two Lyapunov-based controllers are developed, using a back stepping procedure, for solving the trajectory tracking problems related to the two subsystems. In the controller design, three inputs are assumed available: a translational acceleration along a body direction of the UAV; an angular velocity vector of this body rotation; and, finally, a torque at the spherical, or revolute, joint connecting the UAV and the manipulator. The first two inputs are generated by the same controller in order to drive the center of mass on a desired trajectory; while a second controller drives, through the third input, the manipulator's orientation to track a desired orientation. Formal stability proofs are provided that guarantee asymptotic trajectory tracking. Finally, the proposed control strategy is experimentally tested and validated.

Ce travail étudie certains des problèmes les plus pertinents dans le sens de la navigation et contrôle présentés dans une classe particulière de mini-véhicules aériens. L'un des principaux objectifs c'est à réaliser un véhicule léger et facile à déployer dans un court laps de temps, un véhicule sans pilote drone capable de suivre une mission complète, du décollage aux points de cheminement suivants et de terminer la mission avec un atterrissage autonome à l'intérieur d'une zone délimitée en utilisant une interface graphique dans un ordinateur ou une tablette. La génération de trajectoire II est la partie qui dit le drone où il doit voyager et sont générés par un algorithme intégré sur le drone. Le résultat classique de Dubins est utilisé comme base pour la génération de trajectoire en 2D et nous avons étendu à la génération de trajectoire 3D. Une stratégie de suivi de trajectoire développée en utilisant l'approche de Lyapunov, est présentée pour piloter un drone à voilure fixe à travers tout le chemin désiré. Le concept clé derrière le contrôleur de suivi de trajectoire s'appuie sur la réduction de la distance entre le centre de masse de l'avion p et le point sur la trajectoire q à zéro, ainsi que l'angle entre le vecteur vitesse et la tangente à la trajectoire. Afin de tester les techniques mises au point au cours de la thèse une application C# -Net personnalisée a été développé nommé MAV3DSim (Multi-Aerial Vehicle 3D Simulator). Le MAV3DSim permet une opération de lecture/écriture de/vers le moteur de simulation à partir de laquelle nous pourrions recevoir toutes les informations de capteurs émulés et envoyés par le simulateur. Le système complet est capable d'effectuer un décollage et d'atterrissage autonome, à travers des points de suivi. Ceci est accompli en utilisant chacune des stratégies développées au cours de la thèse. Nous avons une stratégie pour le décollage et l'atterrissage, ce qui est généré par la partie de navigation qui est le générateur de trajectoire. Une fois que nous avons généré le chemin, il est utilisé par la stratégie de suivi de trajectoire et avec ce que nous avons l'atterrissage et le décollage autonome. / This work studies some of the most relevant problems in the direction of navigation and control presented in a particular class of mini‐aircraft. One of the main objectives is to build a lightweight and easy to deploy vehicle in a short period of time, an unmanned aerial vehicle capable of following a complete mission from take‐o⁄ to the following waypoints and complete the mission with an autonomous landing within a delimitated area using a graphical interface in a computer. The Trajectory Generation It is the part that tells the drone where it must travel and are generated by an algorithm built into the drone. The classic result of Dubins is used as a basis for the trajectory generation in 2D and we have extended it to the 3D trajectory generation. A path following strategy developed using the Lyapunov approach is presented to pilot a fixed wing drone across the desired path. The key concept behind the tracking controller is the reduction of the distance between the center of mass of the aircraft p and the point q on the path to zero, as well as the angle between the velocity vector and the vector tangent to the path. In order to test the techniques developed during the thesis a customized C # .Net application was developed called MAV3DSim (Multi‐Aerial Vehicle 3D Simulator). The MAV3DSim allows a read / write operation from / to the simulation engine from which we could receive all emulated sensor information and sent to the simulator. The MAV3DSim consists of three main elements, the simulation engine, the computation of the control law and the visualization interface. The simulation engine is in charge of the numeric integration of the dynamic equations of the vehicle, we can choose between a quadrotor and a xed wing drone for use in simulation. The visualization interface resembles a ground station type of application, where all variables of the vehicle s state vector can be represented on the same screen. The experimental platform functions as a test bed for the control law prototyping. The platform consists of a xed wing aircraft with a PX4 which has the autopilot function as well as a Raspberry PI mini‐computer which to the implementation of the generation and trajectory tracking. The complete system is capable of performing an autonomous take‐o⁄and landing, through waypoints. This is accomplished by using each of the strategies developed during the thesis. We have a strategy for take‐o⁄ and landing, which is generated by the navigationon part that is the trajectory generator. Once we have generated the path, it is used by the trajectory tracking strategy and withthat we have landing and take‐o⁄ autonomously.

Cette thèse étudie certains problèmes plus importants dans le sens de guidage, navigation et contrôle présentés dans une catégorie particulière de mini véhicules aériens (MVA) : le MVA convertible avec des ailes fixes et disques pendulaires. Cet aéronef est capable de changer sa configuration de vol, du vol stationnaire au vol palier et vice versa, au moyen d’une manœuvre de transition. Motivé par des applications civiles, on étudie théoriquement et expérimentalement les principes de contrôle en fonction de Lyapunov pour les dynamiques présentées dans le MVA convertible. Des résultats de convergence asymptotique sont obtenus sur l’enveloppe de vol complet du véhicule : d’un vol vertical à basse vitesse à un vol vers l’avant à grande vitesse. Cette thèse est divisée en quatre parties principales : l’étude de 1) les aéronefs à voilure fixe ; 2) le quadrirotor (avion équipe de quatre moteurs) ; 3) l’aéronef convertible ; 4) les applications de vision en utilisant l’aéronef convertible. Dans la première partie, un principe de contrôle en fonction de Lyapunov est développé pour diriger un mini véhicule aérien à voilure fixe tout au long d’un chemin d’accès souhaité. En outre, un générateur de chemin d’accès est proposé. Le résultant de la stratégie du contrôle donne une convergence globale du chemin actuel du MVA au chemin d’accès souhaité. Dans la deuxième partie, un contrôle en fonction de Lyapunov à l’aide de la théorie de la perturbation du singulier est proposé et appliqué sur la dynamique du MVA. En effet, dans cette partie on a abordé le problème diagnostic et la détection de pannes fault detection and diagnosis (FDD) pour un quadrirotor. Dans la troisième partie une nouvelle stratégie de contrôle pour effectuer la transition d’un avion convertible entre le mode avion et le mode hélicoptère, et vice versa, est présenté. L’analyse est effectuée pour le modèle longitudinal du PVHAT (Planar Vertical Helicopter-Airplane Transition) aéronef, lequel est un avion ayant disques pendulaires afin de réaliser la manœuvre de transition. L’algorithme de contrôle de boucle fermée qui en résulte, est prouvé être globalement asymptotiquement stable. Finalement, dans la quatrième partie de cette thèse, le problème de l’estimation et suivi d’un chemin à l’aide de vision système embarqué dans l’avion PVHAT est résolu. La stabilité globale exponentielle de la position sous-système ainsi que le contrôleur de commutation est démontrée. Des simulations illustratives et résultats expérimentaux sont obtenus sur plusieurs plateformes expérimentales développées dans cette thèse, pour évaluer l’applicabilité des principes contrôle proposés et mettre en valeur les mérites de l’approche. / This thesis studies some of the most relevant problems in the sense of guidance,navigation and control presented in a particular class of mini aerial vehicles (MAV) : the convertible MAV with fixed wings and tilting rotors. This aircraft is able to change its flight configuration from hover to level flight and vice-versaby means of a transition maneuver. Motivated by civilian applications, we theoretically and experimentally study Lyapunov-based control laws for dynamics presented in the convertible MAV. Results of asymptotic convergence are obtained over the complete flight envelope of the vehicle : from low-speed vertical flight through high-speed forward flight. We have divided this thesis in four main parts : the study of 1) the fixed-wingaircraft; 2) the quadrotor; 3) the convertible aircraft and 4) vision applications by using the convertible aircraft. In a first part, a Lyapunov-based controllaw is developed to steer a fixed wing mini aerial vehicle along a desired path. Furthermore a path generator is proposed. The resulting control strategy yields global convergence of the current path of the MAV to the desired path. In a second part, a Lyapunov-based control using singular perturbation theory is proposed and applied on dynamics of the MAV. Furthermore, in this part we address the problem of fault detection and diagnosis (FDD) for a quad-rotor. In the third part a new control strategy for the transition between airplane and helicopter mode, and vice versa, in convertible planes is presented. The analysis is carried out for the longitudinal model of the PVHAT (Planar VerticalHelicopter-Airplane Transition) aircraft, which is an airplane having tilting rotors in order to achieve the transition maneuver. The resulting closed loop control algorithm is proved to be globally asymptotically stable. Finally in thefourth part of this thesis the problem of estimation and tracking of a road using avision embedded system in the PVHAT aircraft is solved. The global exponential stability of the position subsystem together with the switching controller is demonstrated. Illustrative simulations and experimental results obtained on several experimental platforms developed in this thesis, assess the implementability of the proposed control laws and highlight the merits of the approach.