Au cours du siècle dernier, la communauté scientifique a traité le contrôle des véhicules aériens principalement par l'élaboration de stratégies ad hoc, mais aucune approche unifiée n'a été développé jusqu'à présent. Cette thèse participe à l'élaboration d'une approche unifiée pour le contrôle des véhicules aériens en prenant en compte les forces aérodynamiques dans la conception de la commande. Nous supposons les effets aérodynamiques de rotation et les effets non stationnaires négligeables. Les actionneurs du véhicule sont supposés être composés d'une force de poussé fixée au corps pour le mouvement en translation, et d'un couple de contrôle pour la régulation d'attitude. Cette thèse se concentre ensuite sur la boucle de guidage, traitant du contrôle de la vitesse linéaire. L'un des principaux objectifs a été de déterminer la façon de réguler la force de poussée et l'orientation du véhicule pour compenser les forces extérieures. Tout d'abord nous abordons la modélisation, l'analyse et le contrôle de la dynamique longitudinale de l'avion. Ensuite nous étendons certaines de ces études aux mouvements tridimensionnels d'avions au corps symétrique, tels que les missiles. Un résultat original de cette thèse est de préciser les conditions sur la force aérodynamique permettant de reformuler le problème du contrôle dans celui de la commande d'un corps sphérique, pour lequel des résultats de stabilité peuvent être démontrés. Les lois de commande proposées intègrent des termes intégraux et anti-wind up sans reposer sur une politique de commutation entre plusieurs lois de commande.

Ce travail de thèse porte sur le comportement en vol de drones légers à voilure fixe en présence de vent. Ces dispositifs aériens offrent une transition en douceur de la théorie à la pratique dans le domaine de la commande autonome. En outre, ils fournissent une solution appropriée dans des environnements inaccessibles ou dangereux pour les êtres humains. Cependant, ne pas avoir un pilote humain à bord implique que les UAV reposent sur l'automatisation pour naviguer ou pour éviter les obstacles. De plus, leur vitesse de fonctionnement relativement faible les rend particulièrement affectés par le vent. Motivé par ces considérations, les objectifs de ce travail de recherche visent des résultats théoriques et expérimentaux dans le domaine de la conception de contrôleurs de vol pour les petits drones à voilure fixe de configuration classique permettant le vol stable dans les conditions de vent. Pour atteindre ces objectifs, plusieurs domaines de recherche sont abordés dans cette thèse comme il suit.Tout d'abord, une étude approfondie sur l'aspect aérodynamique de l'avion est menée afin d'obtenir le modèle mathématique du véhicule en présence de vent. En outre, des modèles qui reproduisent le comportement essentiel du système dans un contexte simplifié sont analysés. Par conséquent, des modèles non linéaires de complexité réduite, qui sont plus simples à analyser et simuler et plus adaptés à la conception de stratégies de contrôle, sont présentés. Deuxièmement, le problème à résoudre est formulé comme un problème de suivi de trajectoire dans lequel le dispositif de commande de vol doit être en mesure de diriger le véhicule le long d'un chemin. Des stratégies de navigation sont élaborées dans le but d'éliminer la déviation de l'avion par rapport à la trajectoire de référence. Le vent est considéré d'abord mesurable par une station au sol et, ensuite, estimé en utilisant une navigation adaptative basée sur la théorie de Lyapunov. La performance de l'algorithme d'estimation est améliorée en utilisant la stratégie de commande basée sur la méthode des fonctions de réglage. Le troisième axe de recherche est la conception et la mise en œuvre d'un dispositif expérimental qui se compose d'une station au sol utilisée pour la visualisation et la commande à distance du drone et d'un pilote automatique embarqué contenant la plate-forme de vol munie d'avionique appropriée.

Au cours du siècle dernier, la communauté scientifique a traité le contrôle des véhicules aériens principalement par l'élaboration de stratégies ad hoc, mais aucune approche unifiée n'a été développé jusqu'à présent. Cette thèse participe à l'élaboration d'une approche unifiée pour le contrôle des véhicules aériens en prenant en compte les forces aérodynamiques dans la conception de la commande. Nous supposons les effets aérodynamiques de rotation et les effets non stationnaires négligeables. Les actionneurs du véhicule sont supposés être composés d'une force de poussé fixée au corps pour le mouvement en translation, et d'un couple de contrôle pour la régulation d'attitude. Cette thèse se concentre ensuite sur la boucle de guidage, traitant du contrôle de la vitesse linéaire. L'un des principaux objectifs a été de déterminer la façon de réguler la force de poussée et l'orientation du véhicule pour compenser les forces extérieures. Tout d'abord nous abordons la modélisation, l'analyse et le contrôle de la dynamique longitudinale de l'avion. Ensuite nous étendons certaines de ces études aux mouvements tridimensionnels d'avions au corps symétrique, tels que les missiles. Un résultat original de cette thèse est de préciser les conditions sur la force aérodynamique permettant de reformuler le problème du contrôle dans celui de la commande d'un corps sphérique, pour lequel des résultats de stabilité peuvent être démontrés. Les lois de commande proposées intègrent des termes intégraux et anti-wind up sans reposer sur une politique de commutation entre plusieurs lois de commande. / Over the last century, the scientific community has dealt with the control of flying machines by mainly developing different strategies in relation to different classes of aircraft, and no unified control approach has been developed so far. The present thesis contributes towards the development of a unified control approach for aerial vehicles by maintaining aerodynamic forces in the control design. It is assumed, however, that the aerodynamic effects of rotational and unsteady motions are negligible, and that the means of actuation for an aerial vehicle consist of a body-fixed thrust force for translational motion and a control torque for attitude monitoring. This thesis then focuses on the guidance loop of the control problem. One of the main objectives has been to determine how to regulate the thrust intensity and the vehicle orientation to compensate for the orientation-dependent external forces. In particular, the modeling, analysis, and control of the longitudinal aircraft dynamics is first addressed. Then, some of these studies are extended to three-dimensional motions of symmetric aircraft, such as missile-like bodies. An original outcome of this thesis is to state conditions on the aerodynamic force that allow the control problem to be recasted into that of controlling a spherical body. In this case, strong stability results can be shown. The proposed control laws incorporate integral and anti-wind up terms and do not rely on a switching policy between several control laws.

Ce travail de thèse porte sur le comportement en vol de drones légers à voilure fixe en présence de vent. Ces dispositifs aériens offrent une transition en douceur de la théorie à la pratique dans le domaine de la commande autonome. En outre, ils fournissent une solution appropriée dans des environnements inaccessibles ou dangereux pour les êtres humains. Cependant, ne pas avoir un pilote humain à bord implique que les UAV reposent sur l'automatisation pour naviguer ou pour éviter les obstacles. De plus, leur vitesse de fonctionnement relativement faible les rend particulièrement affectés par le vent. Motivé par ces considérations, les objectifs de ce travail de recherche visent des résultats théoriques et expérimentaux dans le domaine de la conception de contrôleurs de vol pour les petits drones à voilure fixe de configuration classique permettant le vol stable dans les conditions de vent. Pour atteindre ces objectifs, plusieurs domaines de recherche sont abordés dans cette thèse comme il suit.Tout d'abord, une étude approfondie sur l'aspect aérodynamique de l'avion est menée afin d'obtenir le modèle mathématique du véhicule en présence de vent. En outre, des modèles qui reproduisent le comportement essentiel du système dans un contexte simplifié sont analysés. Par conséquent, des modèles non linéaires de complexité réduite, qui sont plus simples à analyser et simuler et plus adaptés à la conception de stratégies de contrôle, sont présentés. Deuxièmement, le problème à résoudre est formulé comme un problème de suivi de trajectoire dans lequel le dispositif de commande de vol doit être en mesure de diriger le véhicule le long d'un chemin. Des stratégies de navigation sont élaborées dans le but d'éliminer la déviation de l'avion par rapport à la trajectoire de référence. Le vent est considéré d'abord mesurable par une station au sol et, ensuite, estimé en utilisant une navigation adaptative basée sur la théorie de Lyapunov. La performance de l'algorithme d'estimation est améliorée en utilisant la stratégie de commande basée sur la méthode des fonctions de réglage. Le troisième axe de recherche est la conception et la mise en œuvre d'un dispositif expérimental qui se compose d'une station au sol utilisée pour la visualisation et la commande à distance du drone et d'un pilote automatique embarqué contenant la plate-forme de vol munie d'avionique appropriée. / This research work addresses the flight behavior of lightweight fixed-wing UAVs in windy conditions. Such aerial devices offer a smooth transition of autonomous flight control design from theory to practice in addition to providing a proper solution in environments inaccessible or dangerous to human beings. However, not having a human pilot onboard implies that UAVs rely on automation to navigate or to avoidobstacles. In addition, their relatively low operating speed makes them particularly affected by the wind field.Motivated by theses considerations, the objectives of the current research aim theoretical and experimental results in designing flight controllers for small fixed-wing UAVs of conventional configuration allowing for stable flight in windy conditions. In order to achieve these objectives, several research areas are being addresses in this thesis as it follows. First, a comprehensive study on the aerodynamic aspect of the aiplane in conducted in order to obtain the mathematical model of the aircraft in presence of wind. Further, models thet reproduce the essential behavior of the system in a simplified context are analyzed. consequently, nonlinear models of reduced complexity, that are easier to analyze and simulate and more adapted to the design of control strategies, are presented. Secondly, the problem to be solved is formulated as a trajectory following problem in which the flight controller must be able to steer the vehicle along a path. Navigation strategies are developed in order to minimize the airplane deviation relative to the reference trajectory. the wind is considered initially measurable by a ground station and, then, estimated using adaptative navigation based on the theory of Lyapunov. The performance of the estimation algorithm is improved using control design based on thr tuning functions method. The third axis of research is the design and the implementation of an experimental setup which consists of a ground station used for visualization and control purposes and an embedded autopilot architecture containing the airframe platform equipped with appropriate avionics.

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.