Several configurations of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) were proposed to support different applications. One of them is the tailsitter, a fixed-wing aircraft that takes off and lands on its own tail, with the high endurance advantage from fixed-wing aircraft and, as helicopters and multicopters, not requiring a runway during takeoff and landing. However, a tailsitter has a complex operation with multiple flight stages, each one with its own particularities and requirements, which emphasises the necessity of a reliable autopilot for its use as a UAV. The literature already introduces tailsitter UAVs with complex mechanisms or with multiple counter-rotating propellers, but not one with only one propeller and without auxiliary structures to assist in the takeoff and landing. This thesis presents a tailsitter UAV, named AVALON (Autonomous VerticAL takeOff and laNding), and its autopilot, composed of 3 main units: Sensor Unit, Navigation Unit and Control Unit. In order to choose the most appropriate techniques for the autopilot, different solutions are evaluated. For Sensor Unit, Extended Kalman Filter and Unscented Kalman Filter estimate spatial information from multiple sensors data. Lookahead, Pure Pursuit and Line-of-Sight, Nonlinear Guidance Law and Vector Field path-following algorithms are extended to incorporate altitude information for Navigation Unit. In addition, a structure based on classical methods with decoupled Proportional-Integral-Derivative controllers is compared to a new control structure based on dynamic inversion. Together, all these techniques show the efficacy of AVALONs autopilot. Therefore, AVALON results in a small electric tailsitter UAV with a simple design, with only one propeller and without auxiliary structures to assist in the takeoff and landing, capable of executing all flight stages. / Diversas configurações de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) foram propostas para serem utilizadas em diferentes aplicações. Uma delas é o tailsitter, uma aeronave de asa fixa capaz de decolar e pousar sobre a própria cauda. Esse tipo de aeronave apresenta a vantagem de aeronaves de asa fixa de voar sobre grandes áreas com pouco tempo e bateria e, como helicópteros e multicópteros, não necessita de pista para decolar e pousar. Porém, um tailsitter possui uma operação complexa, com múltiplos estágios de voo, cada um com suas peculiaridades e requisitos, o que enfatiza a necessidade de um piloto automático confiável para seu uso como um VANT. A literatura já introduz VANTs tailsitters com mecanismos complexos ou múltiplos motores contra-rotativos, mas não com apenas um motor e sem estruturas para auxiliar no pouso e na decolagem. Essa tese apresenta um VANT tailsitter, chamado AVALON (Autonomous VerticAL takeOff and laNding), e seu piloto automático, composto por 3 unidades principais: Unidade Sensorial, Unidade de Navegação e Unidade de Controle. Diferentes soluções são avaliadas para a escolha das técnicas mais apropriadas para o piloto automático. Para a Unidade Sensorial, Extended Kalman Filter e Unscented Kalman Filter estimam a informação espacial de múltiplos dados de diversos sensores. Os algoritmos de seguimento de trajetória Lookahead, Pure Pursuit and Line-of-Sight, Nonlinear Guidance Law e Vector Field são estendidos para considerar a informação da altitude para a Unidade de Navegação. Além do mais, uma estrutura baseada em métodos clássicos com controladores Proporcional- Integral-Derivativo desacoplados é comparada a uma nova estrutura de controle baseada em dinâmica inversa. Juntas, todas essas técnicas demonstram a eficácia do piloto automático do AVALON. Portanto, AVALON resulta em um VANT tailsitter pequeno e elétrico, com um design simples, apenas um motor e sem estruturas para auxiliar o pouso e a decolagem, capaz de executar todos os estágios de voo.

Several configurations of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) were proposed to support different applications. One of them is the tailsitter, a fixed-wing aircraft that takes off and lands on its own tail, with the high endurance advantage from fixed-wing aircraft and, as helicopters and multicopters, not requiring a runway during takeoff and landing. However, a tailsitter has a complex operation with multiple flight stages, each one with its own particularities and requirements, which emphasises the necessity of a reliable autopilot for its use as a UAV. The literature already introduces tailsitter UAVs with complex mechanisms or with multiple counter-rotating propellers, but not one with only one propeller and without auxiliary structures to assist in the takeoff and landing. This thesis presents a tailsitter UAV, named AVALON (Autonomous VerticAL takeOff and laNding), and its autopilot, composed of 3 main units: Sensor Unit, Navigation Unit and Control Unit. In order to choose the most appropriate techniques for the autopilot, different solutions are evaluated. For Sensor Unit, Extended Kalman Filter and Unscented Kalman Filter estimate spatial information from multiple sensors data. Lookahead, Pure Pursuit and Line-of-Sight, Nonlinear Guidance Law and Vector Field path-following algorithms are extended to incorporate altitude information for Navigation Unit. In addition, a structure based on classical methods with decoupled Proportional-Integral-Derivative controllers is compared to a new control structure based on dynamic inversion. Together, all these techniques show the efficacy of AVALONs autopilot. Therefore, AVALON results in a small electric tailsitter UAV with a simple design, with only one propeller and without auxiliary structures to assist in the takeoff and landing, capable of executing all flight stages. / Diversas configurações de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) foram propostas para serem utilizadas em diferentes aplicações. Uma delas é o tailsitter, uma aeronave de asa fixa capaz de decolar e pousar sobre a própria cauda. Esse tipo de aeronave apresenta a vantagem de aeronaves de asa fixa de voar sobre grandes áreas com pouco tempo e bateria e, como helicópteros e multicópteros, não necessita de pista para decolar e pousar. Porém, um tailsitter possui uma operação complexa, com múltiplos estágios de voo, cada um com suas peculiaridades e requisitos, o que enfatiza a necessidade de um piloto automático confiável para seu uso como um VANT. A literatura já introduz VANTs tailsitters com mecanismos complexos ou múltiplos motores contra-rotativos, mas não com apenas um motor e sem estruturas para auxiliar no pouso e na decolagem. Essa tese apresenta um VANT tailsitter, chamado AVALON (Autonomous VerticAL takeOff and laNding), e seu piloto automático, composto por 3 unidades principais: Unidade Sensorial, Unidade de Navegação e Unidade de Controle. Diferentes soluções são avaliadas para a escolha das técnicas mais apropriadas para o piloto automático. Para a Unidade Sensorial, Extended Kalman Filter e Unscented Kalman Filter estimam a informação espacial de múltiplos dados de diversos sensores. Os algoritmos de seguimento de trajetória Lookahead, Pure Pursuit and Line-of-Sight, Nonlinear Guidance Law e Vector Field são estendidos para considerar a informação da altitude para a Unidade de Navegação. Além do mais, uma estrutura baseada em métodos clássicos com controladores Proporcional- Integral-Derivativo desacoplados é comparada a uma nova estrutura de controle baseada em dinâmica inversa. Juntas, todas essas técnicas demonstram a eficácia do piloto automático do AVALON. Portanto, AVALON resulta em um VANT tailsitter pequeno e elétrico, com um design simples, apenas um motor e sem estruturas para auxiliar o pouso e a decolagem, capaz de executar todos os estágios de voo.

Les énergies renouvelables représentent aujourd'hui un domaine de développement de plus en plus important, au vu de la consommation énergétique mondiale et de ses conséquences désastreuses sur l'environnement. Les différents accords politiques, notamment l'accord de Paris, ne peuvent à eux seuls apporter une solution définitive au changement climatique actuel. Les contraintes imposées par la réduction des émissions de CO_2 et l’augmentation du prix du pétrole dans l’industrie maritime ont poussé Yves Parlier à lancer le projet « beyond the sea » dans le but de développer des cerfs-volants (kites) dédiés à la propulsion auxiliaire des navires. L'objectif principal de cette étude est donc la modélisation et la commande robuste d'une aile de kite en vol dynamique. Le but à terme étant l'élaboration d'un pilote automatique dédié à la traction d'un navire par kite. Un modèle « point-masse » du kite est proposé afin de comprendre et contrôler sa dynamique. Les différents paramètres du modèle sont estimés à partir de données expérimentales obtenues lors d’essais en conditions réelles. Des simulations en boucle ouverte sont proposées afin de valider la cohérence du modèle. Pour effectuer un vol dynamique, une trajectoire en forme de huit est définie dans la fenêtre de vol. La position, la taille et l’orientation de cette trajectoire sont des paramètres ajustables par l’utilisateur. Un algorithme de suivi de trajectoire est développé permettant ensuite de synthétiser une loi de commande robuste intégrant le modèle du kite. Ce pilote automatique permet donc d’effectuer une grande variété de trajectoires pour toute une gamme de vitesses de vent. Enfin, des simulations en boucle fermée montrant les performances théoriques du système mettent en évidence l’intérêt de la propulsion auxiliaire des navires par kite. / The need in reducing the CO_2 emissions and the increase of oil prices affect all transportation industries and especially the maritime industry. This has led to the search for more energy-saving ship propulsion systems. Taking advantage of wind energy by using tethered wings, or kites, as an alternative propulsion source can be an effective solution. The "beyond the sea" project, led by Yves Parlier, aims to provide ships an alternative green energy source. In most wind conditions, compared to a static flight, a dynamic motion of a tethered wing with an eight-shaped pattern can provide sufficient force through traction to tow a ship. Therefore, the main objective of this study is the modeling and robust control of a tethered kite in dynamic flight. To this end, a point mass model is first used to describe the kite dynamics. The model parameters are estimated from experimental data and the aerodynamic coefficients are identified using data from a quasi-static flight. Open loop simulations are conducted to verify the kite behavior and the overall coherence of the model. To ensure a dynamic flight, an eight-shaped trajectory is defined within the wind window. Its position, size, orientation and direction are all adjustable parameters. A path-following strategy is then developed in order to design a robust control law including the kite model. This allows the system to be used in different trajectories with a wide range of wind speeds. Closed-loop simulations are presented to show the efficiency of the path-following algorithm, and the various theoretical performances obtained shows the efficiency of a kite dedicated to vessels auxiliary propulsion.