Cette recherche dans le domaine des nano-drones a pour ambition de concevoir un objet volant de taille réduite s’inspirant directement de la nature.Dans ce but, un état de l’art a été fait sur les mécanismes de vol des insectes ainsi que sur l’ensemble des solutions à ailes battantes artificielles développées à ce jour. Il ressort de cette analyse d’une part, que les insectes ont une cinématique des ailes singulière reposant sur un mouvement de battement et de torsion en quadrature de phase et d’autre part, que les nano-drones actuels ne s’appuient pas ou très peu sur le comportement dynamique de leurs ailes artificielles pour générer de la portance. Le concept proposé dans le cadre de ce travail se veut en rupture avec ces approches. Il consiste en un couplage vibratoire en quadrature de phase de modes de battement et de torsion appliqué sur des ailes artificielles flexibles afin de reproduire une cinématique proche de celles des insectes avec un unique actionneur. La méthodologie employée s’est traduite par l’élaboration d’un modèle analytique négligeant les efforts aérodynamiques afin de calculer le comportement dynamique et de dimensionner la structure du nano-drone. Les simulations ont mis en évidence l’existence de modes propres de la structure des ailes dont les déformées correspondent aux mouvements de battement et de torsion recherchés. Fait remarquable, une optimisation a permis de rapprocher les fréquences de ces modes tout en conservant une amplitude suffisante de façon à réaliser leur couplage et donc à reproduire la cinématique souhaitée. La portance produite a été ensuite estimée à l’aide d’un modèle aéroélastique qui a montré que le maximum de portance était obtenu pour deux fréquences coïncidant avec une quadrature de phase entre les deux modes. Ces résultats ont par la suite été confirmés à l’aide de mesures expérimentales effectuées sur un banc de mesure spécifique répondant aux contraintes imposées par les prototypes en termes de sensibilité et de comportement dynamique. Les différentes générations de prototypes testées ont été fabriquées au moyen des procédés de microfabrication, ce qui a permis l’intégration d’une membrane d’aile en parylène d’une épaisseur tout à fait comparable à celle existant chez les insectes. La conclusion de cette étude est que nous disposons dorénavant d’un prototype capable de compenser son poids. / This work in the Nano-Air Vehicle field aims to design a small flying object directly inspired by the nature. For this purpose, a state of the art has been performed on insects flight mecanisms and has reviewed the overall artificial flapping wings solutions developped until today. The result of this analysis is on one hand, that insects use a specific wing kinematics which relies on a flapping motion and a twisting motion coupled in a quadrature phase shift and on the other hand, that the existing Nano-Air Vehicles do not exploit the dynamic behavior of their artificial wings to produce lift. The proposed concept in this research is a departure from those other works. It consists of a vibratory coupling in a quadrature phase shift of a flapping and a twisting mode applied on flexible artificial wings in order to reproduce a kinematics close to the insects ones with a single actuator. The used methodology resulted in the development of an analytic modeling which neglects the aerodynamic forces to calculate the dynamic behavior and dimension the prototype structure. Simulations highlighted the existence of eigen modes of the wings structure whose modal shapes match with the wanted flapping and twisting motion. Noteworthy fact, an optimization allowed to get those modes close in frequency while keeping a non-neglectible amplitude in such a way as to couple them and obtain the expected kinematics. The produced lift force is then estimated with an aeroelastic modeling which has shown that the maximum lift is obtained for two frequencies which provide a quadrature phase shift between the two modes. Those results are then validated by experimental measurements performed on a specific bench made according to the constraints due to the prototype in terms of sensitivity and dynamic behavior. The different generations of prototypes tested are produced with microfabrication process, allowing to integrate a wing membrane in parylene with a thickness comparable to the one existing in insects. The conclusion of this study is that we now have a prototype able to compensate its weight.

Combinant les avantages des voilures fixes et tournantes, le vol biomimétique présente un avenir prometteur pour les microdrones. Le mouvement de l'engin volant est assuré par les forces aérodynamiques de traction et de portance ainsi que les couples aérodynamiques créés par les ailes battantes. Un modèle simplifié basé sur les relations fondamentales de la dynamique a ainsi été établi. Des commandes non linéaires par retour d'état ou retour de mesure de capteurs d'attitude embarqués sont développées afin de stabiliser l'orientation du corps. La stabilisation de la position est assurée par un couplage entre l'angle de roulis et la force de portance. Les commandes proposées dans cette thèse sont à faible coût de calcul, tiennent compte des saturations induites par les amplitudes maximales des angles des ailes. Elles sont basées sur des techniques de moyennisation couplées à des résultats récents de stabilisation des corps rigides. La robustesse des commandes vis-à-vis d'erreurs de modèle, d'erreurs aérodynamiques, de perturbations externes, etc. a été testée.

Les récents progrès des microtechnologies permettent le développement de drones d'envergure inférieure à 15 cm, susceptibles de réaliser des missions d'observation ou d'intervention en milieu risqué. La possibilité de vol en présence d'obstacles ou en espace fermé nécessite une grande agilité à basse vitesse et des capacités de déplacement silencieux, pour lesquelles un concept à ailes battantes – inspiré du vol des insectes et du colibri – semble être le plus prometteur. Dans le cadre de cette thèse, nous avons donc développé un modèle de simulation de type mécanique du vol d'un tel engin, à partir de résultats antérieurs concernant l'aérodynamique du vol des insectes. Nous avons ensuite déterminé les cinématiques de battement optimales à l'aide d'algorithmes heuristiques, avant de chercher à commander en boucle fermée ce système non linéaire naturellement instable. Une technique inspirée du backstepping a permis d'obtenir de très bonnes performances, en statique comme en dynamique.

Cette thèse expérimentale s'intéresse aux mécanismes fondamentaux de la propulsion par ailes battantes. Nous utilisons un modèle simplifié, constitué d'un aileron oscillant placé dans un tunnel hydrodynamique, qui nous permet d'établir un cadre d'études pour l'analyse des sillages produits. En particulier, nous étudions l'influence de la flexibilité de l'aileron sur ces sillages. Nous définissons un espace de paramètres à deux dimensions (fréquence et amplitude du battement), dans lequel nous identifions trois principaux régimes d'écoulements, associés à trois types de sillages tourbillonnaires. La technique de PIV nous permet d'analyser et quantifier précisément les paramètres physiques et géométriques des sillages observés. La force moyenne subie par l'aileron est estimée dans chacun des régimes, à partir d'un bilan standard de quantité de mouvement. Nous localisons ainsi la transition traînée-propulsion dans notre espace de phase. Nous montrons la performance propulsive supérieure des ailerons flexibles par rapport à un aileron rigide, et proposons quelques éléments d'explication à ce résultat.

Au cours des dernières décennies, la possibilité d’exploiter les capacités de vol exceptionnelles des insectes a été à l’origine de nombreuses recherches sur l’élaboration de nano-véhicules aériens (NAVs) à ailes battantes. Cependant, lors de la conception de tels prototypes, les chercheurs doivent analyser une vaste gamme de solutions liées à la grande diversité des insectes volants pour identifier les fonctionnalités et les paramètres adaptés à leurs besoins. Afin d’alléger cette tâche, le but de ce travail est de développer un outil permettant à la fois d’examiner le comportement cinématique et énergétique d’un nano-véhicule aérien à ailes flexibles résonantes, et donc d'évaluer son efficacité. Cet objectif reste néanmoins extrêmement difficile à atteindre car il concerne des objets de très petites tailles. Aussi, nous avons choisi tout d’abord de travailler sur un micro-véhicule aérien (MAV) à ailes battantes. Il s’agit avant tout de valider l’outil de modélisation à travers une comparaison systématique des simulations avec des résultats expérimentaux effectués lors de l’actionnement des ailes, puis au cours du décollage et du vol stationnaire du prototype. Une partie des connaissances et expériences acquises pourra ensuite être utilisée afin de mieux comprendre le fonctionnement et identifier la distribution d'énergie au sein du NAV. Bien que les deux véhicules s’inspirent directement de la cinématique des ailes d'insectes, les mécanismes d'actionnement des ailes artificielles des deux prototypes ne sont pas les mêmes en raison de la différence de taille. Comme le NAV est plus petit, ces ailes ont un mouvement de battement à une fréquence plus élevée que celles du MAV, à l’instar de ce qui existe dans la nature. En conséquence, lorsque l’on passe du MAV au NAV, le mécanisme d’actionnement des ailes doit être adapté et cette différence nécessite d’une part, de revoir la conception, l'approche de modélisation et le processus d'optimisation, et d’autre part, de modifier le procédé de fabrication. Une fois ces améliorations apportées, nous avons obtenu des résultats de simulations en accord avec les tests expérimentaux. Le principal résultat de ce travail concerne l’obtention pour les deux prototypes, le MAV et le NAV, d’une cinématique appropriée des ailes, qui conduit à une force de portance équivalente au poids. Nous avons d’ailleurs démontré que le MAV était capable de décoller et d’avoir un vol stationnaire stable selon l’axe vertical. En tirant parti des modèles basés sur le langage Bond Graph, il est également possible d'évaluer les performances énergétiques de ces prototypes en fonction de la dynamique de l'aile. En conclusion, cette étude contribue à la définition des paramètres essentiels à prendre en compte lors de la conception et l'optimisation énergétique de micro et nano-véhicules à ailes battantes. / In recent decades, the prospect of exploiting the exceptional flying capacities of insects has prompted much research on the elaboration of flapping-wing nano air vehicles (FWNAV). However, when designing such a prototype, designers have to wade through a vast array of design solutions that reflects the wide variety of flying insects to identify the correct combination of parameters to meet their requirements. To alleviate this burden, the purpose of this work is to develop a suitable tool to analyze the kinematic and power behavior of a resonant flexible-wing nano air vehicle. The key issue is evaluating its efficiency. However, this ultimate objective is extremely challenging as it is applied to the smallest flexible FWNAV. However, in this work, we worked first with a flapping-wing micro air vehicle (FWMAV) in order to have a tool for the simulation and experimentation of wing actuation, take-off and hovering. Some of the knowledge and experience acquired will then be transferred to better understand how our FWNAV works and identify the energy, power distribution. Although both of the vehicles employ the insect wing kinematics, their wings actuation mechanisms are not the same due to their sizes difference. Since the FWNAV is smaller, their wings flap at a higher frequency than the FWMAV as inspired by nature. As a consequence, from MAV to NAV, the wing actuation mechanism must be changed. Throughout this work, it can be seen clearly that this difference affects the whole vehicles development including the design, the manufacturing method, the modeling approach and the optimizing process. It has been demonstrated that the simulations are in good correlation with the experimental tests. The main result of this work is the proper wing kinematics of both FWMAV and FWNAV which leads to a lift to the weight ratio bigger and equal to one respectively. The FWMAV is even success to take-off and vertically stable hover. Moreover, taking advantage of the Bond Graph-based models, the evolution power according to the wing dynamic and the efficiency of the subsystem can be evaluated. In conclusion, this study shows the key parameters for designing and optimizing efficiency and the lift generated for two flapping wing vehicles in different size regimes.

L'optimisation multicritère de la cinématique de battement d'aile d'un mini-drône à ailes battantes est réalisée en vol de croisière. L'objectif est, pour différentes familles de cinématiques et pour différentes vitesses d'avancement, de trouver des solutions maximisant l'efficacité propulsive, minimisant l'écart à la portance cible et minimisant le moment aérodynamique. Nous avons choisi les algorithmes évolutionnaires pour résoudre ce problème multicritère pour leur simplicité d'implantation, leur flexibilité et leur bon rapport qualité des résultats/coût de calcul. En raison de la nature multicritère du problème, il existe un ensemble de solutions optimales et non pas une unique solution au problème, ce qui pose la question de la maniere de visualiser, d'analyser et d'extraire une solution satisfaisante parmi le groupe de solutions Pareto optimales. Nous avons identifié des methodes simples susceptibles d'aider a accomplir cette tâche, la "Scatter-Plot Matrix Method" pour visualiser les surfaces et ensembles de Pareto, l'utilisation d'une régression multivariée pour établir le lien entre paramètres cinématiques et critères optimisés, la méthode des normes Lp pour identifier une solution compromis au sein de la surface de Pareto, les arbres de décision pour trouver les paramètres de la cinématique auxquels le voisinage de la solution compromis est sensible et les cartes de Kohonen pour étudier la structure de ce voisinage. Ces différents outils nous ont permis, pour chaque famille de cinématiques (dièdre, dièdre et tangage, dièdre et tangage à deux panneaux), d'identifier une solution compromis et les paramètres cinématiques qui impactent le plus le voisinage du point compromis. Les caractéristiques de chaque solution compromis ont ete comparées à des mesures de puissance et de coefficients de traînée faites sur des oiseaux en vol de croisiere, et la légitimité d'appliquer un modèle linéarisé dans le cas de cette solution compromis est mise à l'épreuve en calculant des nombres adimensionés caractéristiques comme le nombre de Strouhal ou la fréquence réduite dont les petites valeurs attestent d'un cas favorable à une approche linéarisée. Puis, la comparaison de la fréquence de battement d'aile obtenue à celle d'un oiseau géométriquement similaire est faite, et elle montre que plus la cinématique est riche plus cette fréquence de battement se rapproche de celle de l'oiseau en question, ce qui constitue un résultat encourageant pour notre approche.