A multirotor is a type of aerial vehicle that has attracted a lot of attention in recent years. Multirotors have found applications in a variety of different fields and they are used by scientists and researchers, commercial UAV companies and radio control enthusiasts alike. In this thesis a multirotor with eight rotors, also called an octorotor, is used. A physical model of the octorotor has been developed using theory from rigid body mechanics and aerodynamics. The unknown parameters in this model have been found using several identification experiments. The model has been used for controller design and comparison in a simulation environment. An attitude estimation algorithm has been designed and implemented on the target hardware. The algorithm is referred to as a nonlinear complementary filter and it uses a quaternion rotation representation and onboard measurements to compute an estimate of the current aircraft attitude. Two different attitude controllers have been designed and evaluated. The first controller is based on PID techniques which are commonly used in multirotor flight stabilization systems. The second controller uses a novel control structure based on L1 adaptive control techniques. A baseline attitude PD controller is augmented with an L1 adaptive controller in the rate feedback loop. The two controller structures are compared using a simulation environment based on the developed model of the octorotor. The results show that the proposed structure gives a notable performance increase with respect to robustness against modeling errors and input disturbance rejection compared to the PID controller. However, the L1 adaptive controller is more complex to implement and gives less noise attenuation. The PID controller has been implemented on the platform's hardware and initial flight tests have been performed with promising results. / En multirotor är en typ av flygande farkost som har fått mycket uppmärksamhet under senare år. Multirotorer tillämpas inom flertalet områden och de används av bland annat forskare och vetenskapsmän, kommersiella UAV- företag samt hobbyentusiaster. I detta examensarbete används en multirotor med åtta rotorer, en så kallad oktakopter. En fysikalisk modell av oktakoptern har tagits fram med hjälp av teori från stelkroppsmekanik och aerodynamik. De okända parametrarna i modellen har skattats med hjälp av ett flertal identifieringsexperiment. Modellen har använts för att designa och jämföra regulatorer i en simuleringsmiljö. En algoritm för att skatta farkostens attityd har designats och implementerats på oktakopterns hårdvara. Algoritmen är en variant av ett olinjärt komplementärt filter och använder en kvaternionrepresentation av attitydvinklar och uppmätt sensordata för att skatta farkostens nuvarande attityd. Två olika attitydregulatorer har designats och utvärderats. Den första regulatorn är baserad på PID-teknik vilket är vanligt för stabilisering av multirotorsystem. Den andra regulatorn använder en ny regulatorstruktur baserad på L1-adaptiv teknik. En grundregulator av PD-typ utökas med en L1-adaptiv regulator i vinkelhastighetsloopen. De två regulatorstrukturerna jämförs i en simuleringsmiljö baserad på den framtagna modellen av oktakoptern. Resultaten visar att den föreslagna regulatorstrukturen ger en betydande prestandaökning gällande robusthet mot modellfel och undertryckning av ingångsstörningar jämfört med PID-regulatorn. Dock är L1-regulatorn mer komplex att implementera och den ger mindre brusundertryckning. PID-regulatorn har implementerats på plattformens hårdvara och inledande flygtester har genomförts med lovande resultat.

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.

Les travaux de recherches sur la commande, le diagnostic et la tolérance aux défauts appliqués aux drones deviennent de plus en plus populaires. Il est judicieux de concevoir des lois de commande qui garantissent la stabilité et les performances du drone, non seulement dans le cas nominal, mais également en présence de fortes perturbations et de défauts.Dans cette thèse, un nouvel algorithme bio-inspiré adapté pour la recherche de solutions dans des problèmes d’optimisation est développé. Cet algorithme est utilisé pour trouver les gains des différents contrôleurs conçus pour les drones. La commande par mode glissant est utilisée pour développer deux contrôleurs passifs tolérants aux défauts pour les quadrirotors: un contrôleur par mode glissant augmentée avec un intégrateur, et un contrôleur par mode glissant implémenté en cascade. Parce que les commandes passives ont une robustesse réduite, une commande active par mode glissant est développée. Pour traiter les défauts extrêmes, un contrôleur d’urgence basé sur la conversion du quadrirotor en trirotor est développé. Les commandes actives, passives, et le contrôleur d’urgences sont ensuite intégrés pour former un contrôleur tolérant aux défauts capable de gérer un grand nombre de défaillances tout en garantissant les ressources actionneur et en limitant la charge de calcul du processeur. Finalement, des contrôleurs tolérants aux défauts, actifs et passifs, basés sur des méthodes par mode glissant du premier et deuxième ordre sont développées pour les octorotors. La commande active utilise des méthodes d’allocation de contrôles pour redistribuer les efforts sur les actionneurs sains, réduisant ainsi l’effet du défaut. / Unmanned Aerial Vehicles (UAV) are more and more popular for their civil and military applications. Classical control laws usually show weaknesses in the presence of parameter uncertainties, environmental disturbances, and actuator and sensor faults. Therefore, it is judicious to design a control law capable of stabilizing the UAV not only in the fault-free nominal cases, but also in the presence of disturbances and faults. In this thesis, a new bio-inspired search algorithm called Ecological Systems Algorithm (ESA) suitable for engineering optimization problems is developed. The algorithm is used over the thesis to find optimal gains for the fault tolerant controllers. Sliding Mode Control theory is used to develop two Passive Fault Tolerant Controllers for quadrotor UAVs: Regular and Cascaded SMC. Because Passive Controllers handle a few numbers of faults, an Active Sliding Mode Fault Tolerant Controller using Kalman Filter is developed. To overcome severe faults and failures, an emergency controller based on the Quadrotor-to-Trirotor conversion maneuver is developed. The Controllers developed so far (Passive, Active, and emergency controllers) are then integrated to form the Integrated Fault Tolerant Controller (IFTC). The IFTC is a powerful controller that is able to handle a wide number of faults, and save actuator resources as well as processor computational effort. Finally, Passive and Active Fault Tolerant Controllers are designed for octorotor UAVs based on First Order and Second Order Sliding Mode Control. The AFTC uses Dynamic and Pseudo-Inverse Control Allocation methods to redistribute the control effort among healthy actuators reducing the effect of fault.