Cette thèse traite du guidage et du pilotage de véhicules aériens qui peuvent assurer des missions dans des lieux particulièrement hostiles, dangereux ou inaccessibles avec des véhicules conventionnels. Nous sommes tout d'abord motivés par le scénario de couverture, qui est généralement un processus long pouvant utiliser un grand nombre de personnes et d'équipements. Or, la nature de la couverture nécessite un véhicule aérien avec des capacités de vol stationnaire. Pour cela, nous nous intéressons alors aux multirotors, qui sont considérés comme une bonne étude de cas pour concevoir, analyser et mettre en œuvre des stratégies de contrôle de vol.En réalité, de nombreux défis sont encore ouverts pour ce qui concerne le scénario de couverture comme la faisabilité, l’optimalité en visitant tous les points d’intérêts. De plus, un système de contrôle robuste est indispensable pour contrer des effets néfastes tel le vent. Par ailleurs, la conception d'un algorithme de contrôle répondant à certaines exigences (structure simple, précision, énergie minimale consommée) constitue un défi supplémentaire. Ensuite, notre travail introduit un modèle mathématique générique pour les multi-rotors en considérant l’effet du vent.Dans la première partie du manuscrit, nous proposons des planificateurs en utilisant comme base l'algorithme RRT* (optimal Rapidly-exploring Random Tree). En fait, dans les grands espaces, un grand nombre de nœuds est généré augmentant alors le temps de calcul et la mémoire consommée. Pour y remédier, une procédure de suppression est impliquée pendant le processus « ReWire » pour les réduire. De plus, un planificateur multidirectionnel qui renvoie un ensemble de chemins optimaux à partir d'un point de départ et d'un ensemble de points objectifs est proposé. Notre travail introduit également une stratégie CPP (Coverage path-planning) optimale dans un espace contraint. Celle-ci consiste à procéder par un algorithme en deux phases. Dans la première, un planificateur multidirectionnel est utilisé pour définir les chemins les plus courts de chaque point à ses voisins. Dans la seconde phase, au moyen des coûts entre les points, le chemin global le plus court est obtenu en résolvant un problème de voyageur en utilisant des algorithmes génétiques. Puis, compte tenu de l'énergie embarquée limitée, un problème de routage est adapté et est résolu par la méthode de savings. Dans une seconde partie, nous nous sommes penchés sur la conception d'un système de pilotage efficace permettant au véhicule de suivre une trajectoire paramétrée dans le temps. D’une part nous proposons une extension de la commande par modèle interne au non-linéaire (NLIMC). Notre technique repose sur l’utilisation du principe de base IMC pour synthétiser un contrôleur non linéaire qui fait intervenir la propriété de platitude. D’autre part, nous proposons une autre forme de contrôleur dont la structure apparente est un PID mais dans lequel est incorporée la technique des modes glissants que l'on appellera aussi PID non linéaire bien qu’il diffère de l’existant. Cette combinaison a l’avantage de conduire à un bon niveau de robustesse fourni par les modes glissants et en même temps à un bon comportement spécifié par la structure PID. En outre, en guise de complément, nous proposons deux contrôleurs redondants basés sur deux principes distincts afin de booster et d’améliorer les capacités de tout contrôleur. Le premier est basé sur l’approche MFC (Model-Free Control) tandis que le second est basé sur les modes glissants dynamiques DSMC (Dynamic Sliding Mode Controller). Enfin, pour montrer les performances de ces contrôleurs, nous avons effectué une série de tests avec plusieurs illustrations et scénarios, nous avons dressé un tableau de comparaison avec les approches conventionnelles. Les résultats issus des simulations numériques et ceux des tests expérimentaux réalisés sur un drone quadrotor se sont avérés cohérents et semblent bien prometteurs. / This thesis deals with the guidance and control of aerial vehicles, which can also ensure missions in hostile, dangerous environments, or inaccessible workspaces with conventional vehicles. First, we are motivated by the coverage scenario, which is in general a long process, requiring a large number of individuals and specific equipment. However, the nature of sensing coverage requires an aerial vehicle with hovering capabilities. For this purpose, we are interested in multirotors that are considered as a good case study to design, analyze and implement flight control strategies.As matter of fact, many challenges are still open with respect to the coverage scenario such as for instance the feasibility and the optimality when passing through the Points of Interest. In addition, a robust control system is essential to mitigate the adverse effects such as the wind. Moreover, designing a control algorithm, which meet some requirements (simplicity, accuracy, consumed energy, etc.) constitutes a complementary challenge. Then, our work introduces a generic mathematical model for multirotors flying under the effect of wind.In a first part, we propose planners using as a basis the optimal Rapidly-exploring Random Tree (RRT*) algorithm. In fact, in large workspaces, a large number of nodes is generated and then increasing the computation time and the consumed memory. To counter these latter, a removal procedure is involved during the rewiring process. In addition, a multidirectional planner that returns a set of optimal paths from a starting point and a set of objective points is proposed. Our work also introduces an optimal Coverage path-planning (CPP) strategy in a constrained workspace. This one proceeds through a two-phases algorithm. In the first one, a Connected Multi-directional planner is used to define the shortest paths from each point to its neighbors. In the second phase, by means of the pair-wise costs between points, the overall shortest path is obtained by solving a Traveling Salesman Problem using Genetic Algorithms. Then, taking into account the limited on-board energy, a Capacitated-Vehicle Routing Problem is adapted and solved by the savings approach.In a second part, we study the design of an effective control system allowing the vehicle to track a trajectory parameterized in time. On the one hand, we propose an extension to nonlinear systems of the Internal Model Control (NLIMC). Our technique is based on the use of the basic IMC principle to synthesize a nonlinear controller that involves the property of flatness. On the other hand, we propose another form of controller whose apparent structure is a PID but in which the technique of sliding modes is incorporated that will also call the nonlinear PID (NLPID). This combination has the advantage to lead to a good level of robustness provided by the sliding modes and at the same time to a good behavior specified by the PID structure. Besides, as a complement, we present two redundant controllers based on two distinct principles in order to boost and to improve the capabilities of any controller. The first one is based on the Model-Free Control (MFC) approach while the second one is based on Dynamic Sliding Mode Controller (DSMC).Finally, to highlight the performance of these controllers, we have performed a series of tests with several illustrations and scenarios and we have drawn up a comparison table with conventional approaches. The results of both the numerical simulations and the experimentation that are performed on a quadrotor are consistent and seem to be quite promising.

The thesis deals with the possibilities and risks of multirotors in connection with acquiring, processing and distribution of information with regard to how these possibilities are limited and the risks addressed by legislation. The aim of the theoretical part of this thesis was to analyze how multirotors are involved in the information society, what are the possibilities of their use in connection with data collection and acquiring of information, what are the risks of using them and how problems are dealt with by Czech legislation. Categorized use possibilities state practical examples of what data can multirotors provide and how multirotors can be used to acquire information. The risks associated with using multirotors were found mainly in context of invasion of privacy and physical security. Based on the research of legislative sources, it was found that the legislation covers all the risks very well. The aim of the research part of this thesis was to find out how the users of multirotors abide the current legislation, which provisions they violate from the point of view of aviation regulations and to what extent they invade the privacy of third parties when using multirotors. Based on quantitative research, where the research method used was an electronic questionnaire, it was found that even though that about half of the users do not fly in accordance with aviation regulation L2 - aviation rules, 78% of them violates only one provision. In addition, it can be stated that there is a dependence between the presence of navigation systems on a multirotor and violation of this aviation regulation. It was also found that 89% of users do not intrude the privacy of third parties by using multirotors and that the violation of the amendment X and intruding of privacy are independent.

La sûreté de fonctionnement est devenue indispensable pour tous les systèmes critiques où des vies humaines sont en jeu (comme l’aéronautique, le ferroviaire, etc.). Ceci a conduit à la conception et au développement des architectures tolérantes aux fautes, l’objectif de ces architectures étant de maintenir un service correct délivré par le système malgré la présence de fautes, et en particulier de garantir la sécurité-innocuité et la fiabilité du système. La tolérance aux fautes sur les drones aériens multirotors a récemment reçu une attention importante de la part de la communauté scientifique. En particulier, plusieurs travaux ont été développés sur la tolérance aux fautes des quadrirotors suite à des fautes partielles sur les actionneurs, et récemment des recherches ont abordé le problème de panne totale de l’un des actionneurs. D’après ces études, il a été montré qu’une défaillance totale d’un actionneur dans un quadrirotor rend le système non complètement contrôlable. Une solution proposée est de considérer des multirotors avec des actionneurs redondants (hexarotors ou octorotors). La redondance inhérente disponible dans ces véhicules est exploitée, en cas de défaillance sur les actionneurs, pour redistribuer les efforts de commande sur les moteurs sains de façon à garantir la stabilité et la contrôlabilité complète du système. Dans ce travail de thèse, des approches pour la conception de systèmes de commande tolérants aux fautes des drones multirotors sont étudiées et appliquées au contrôle des octorotors. Toutefois, les algorithmes sont conçus de manière à être applicables sur les autres types de multirotors avec des modifications mineures. D’abord, une analyse de contrôlabilité de l’octorotor après l’occurrence de défaillances sur les actionneurs est présentée. Ensuite, un module de détection et d’isolation de pannes moteurs basé sur un observateur non-linéaire et les mesures de la centrale inertielle est proposé. Les mesures des vitesses et des courants de moteurs fournis par les contrôleurs de vitesse sont également utilisées dans un autre algorithme de détection pour détecter les défaillances des actionneurs et distinguer les pannes moteurs des pertes des hélices. Un module de rétablissement basé sur la reconfiguration du multiplexage est proposé pour redistribuer les efforts de commande d’une manière optimale sur les actionneurs sains après l’occurrence de défaillances dans le système. Une architecture complète, comprenant la détection et l’isolation des défauts suivie par le rétablissement du système est validée expérimentalement sur un octorotor coaxial puis elle est comparée à d’autres architectures basées sur l’allocation de commande et la tolérance aux fautes passive par mode glissant. / With growing demands for safety and reliability, and an increasing awareness about the risks associated with system malfunction, dependability has become an essential concern in modern technological systems, particularly safety-critical systems such as aircrafts or railway systems. This has led to the design and development of fault tolerant control systems (FTC). The main objective of a FTC architecture is to maintain the desirable performance of the system in the event of faults and to prevent local faults from causing failures. The last years witnessed many developments in the area of fault detection and diagnosis and fault tolerant control for Unmanned Aerial rotary-wing Vehicles. In particular, there has been extensive work on stability improvements for quadrotors in case of partial failures, and recently, some works addressed the problem of a quadrotor complete propeller failure. However, these studies demonstrated that a complete loss of a quadrotor motor results in a vehicle that is not fully controllable. An alternative is then to consider multirotors with redundant actuators (octorotors or hexarotors). Inherent redundancy available in these vehicles can be exploited, in the event of an actuator failure, to redistribute the control effort among the remaining working actuators such that stability and complete controllability are retained. In this thesis, fault-tolerant control approaches for rotary-wing UAVs are investigated. The work focuses on developing algorithms for a coaxial octorotor UAV. However, these algorithms are designed to be applicable to any redundant multirotor under minor modifications. A nonlinear model-based fault detection and isolation system for motors failures is constructed based on a nonlinear observer and on the outputs of the inertial measurement unit. Motors speeds and currents given by the electronic speed controllers are also used in another fault detection and isolation module to detect actuators failures and distinguish between motors failures and propellers damage. An offline rule-based reconfigurable control mixing is designed in order to redistribute the control effort on the healthy actuators in case of one or more motors failures. A complete architecture including fault detection and isolation followed by system recovery is tested experimentally on a coaxial octorotor and compared to other architectures based on pseudo-inverse control allocation and a robust controller using second order sliding mode.