Cette thèse propose des solutions aux problématiques inhérentes au contrôle de formations aériennes de type leader-suiveur pour des flottes de quadrirotors. Au regard des travaux existants, les stratégies qui sont proposés dans notre travail, considère que le(s) leader{s) a une interaction avec les suiveurs. En outre, les rôles de leader et de suiveur sont interchangeables lors de la formation. Dans un premier temps, la modélisation mathématique d'un seul quadrirotor et celle de la formation de quadrirotors est développée. Ensuite, le problème de suivi de trajectoire pour un seul quadrirotor est étudié. Au travers de l'analyse de 1, dynamique du système pour la conception d'une commande par platitude, il apparait que le suivi de trajectoire pour chaque quadrirotor équivaut à déterminer les sorties plates désirées. Un contrôleur pour système plats permettant l'asservissement des drones pour le suivi de trajectoire est donc proposé. Étant donné la propriété de double-boucle de la dynamique du quadrirotor en boucle fermée, un contrôleur d'attitude avec des grands gains est conçu, selon la théorie « singular perturbation system ». Puisque la dynamique du quadrirotor en boucle fermée fonctionne sur deux échelles de temps, la dynamique de rotation (boundary-layer mode) est contrôlée sur l'échelle de temps la plus rapide. La conception du contrôleur de formation dépend seulement de la dynamique de translation (modèle réduit dans une échelle de temps lente). Ce résultat a simplifié la conception du contrôleur de formation, de telle sorte que le modèle réduit du quadrirotor est utilisé au lieu du modèle complet. Étant donné que le modèle réduit du quadrirotor a une caractéristique de double-intégrateur, un algorithme de consensus pour des systèmes caractérisés par de multiple double-intégrateurs est proposé. Pour traiter le problème de la formation leader-suiveur, une matrice d'interaction est initialement proposée basée sur la matrice de Laplacienne. Nous montrons que la condition de convergence et la vitesse de convergence de l'erreur de formation dépendent de la plus petite valeur propre de la matrice d'interaction. Trois stratégies de contrôle de la formation avec une topologie fixe sont ensuite proposées. Le contrôle de formation par platitude est proposé pour obtenir une formation agressive, tandis que les dérivées de grands ordres de la trajectoire désirée pour chaque UAV sont estimées en utilisant un observateur; la méthode Lyapunov redesign est implémentée pour traiter les non-linéarités de la dynamique de la translation des quadrotors; une loi de commande bornée par l'utilisation, entre autre, de la fonction tangente hyperbolique est développée avec un feedback composite non linéaire, afin d'améliorer les performances de la formation. De plus, une commande de commutation saturée de la formation est étudiée, car la topologie de la formation est variable. La stabilité du système est obtenue grâce aux théories “convex hull » et « common Lyapunov function ». Cette stratégie de commande de commutation permet le changement des leaders dans la formation. Inspirée par certains travaux existants, tels que le contrôle de la formation avec des voisins anonymes, nous proposons, finalement, une loi de commande avec des voisins pondérés, qui montre une meilleure robustesse que le contrôle avec des voisins anonymes. Les résultats de simulation obtenus avec Matlab illustrent premièrement nos stratégies de contrôle que nous proposons De plus, en utilisant le langage de programmation C ++, nos stratégies sont mises en œuvre dans un framework de simulation et d'expérimentation développé au laboratoire Heudiasyc. Grâce aux nombreux tests variés que nous avons réalisés en simulation et en temps-réel, l'efficacité et les avantages de nos stratégies de contrôle de la formation proposées sont présentés. / In this thesis, we address a leader-follower (L-F) formation control problem for multiple UAVs, especially quadrotors. Different from existing works, the strategies, which are proposed in our work, consider that the leader(s) have interaction with the followers. Additionally, the leader(s) are changeable during the formation. First, the mathematical modeling of a single quadrotor and of the formation of quadrotors is developed. The trajectory tracking problem for a single quadrotor is investigated. Through the analysis of the flatness of the quadrotor dynamical model, the desired trajectory for each quadrotor is transferred to the design of the desired at outputs. A flatness-based trajectory tracking controller is, then, proposed. Considering the double-loop property of the closed-loop quadrotor dynamics, a high-gain attitude controller is designed, according to the singular perturbation system theory. Since the closed-loop quadrotor dynamics performs in two time scales, the rotational dynamics (boundary-layer model) is controlled in a fast time scale. The formation controller design is then only considered for the translational dynamics: reduced model in a slow time scale. This result has simplified the formation controller design such that the reduced model of the quadrotor is considered instead of the complete model. Since the reduced model of the quadrotor has a double-integrator characteristic, consensus algorithm for multiple double-integrator systems is proposed. Dealing with the leader-follower formation problem, an interaction matrix is originally proposed based on the Laplacian matrix. We prove that the convergence condition and convergence speed of the formation error are in terms of the smallest eigenvalue of the interaction matrix. Three formation control strategies with fixed formation topology are then proposed. The flatness-based formation control is proposed to deal with the aggressive formation problem, while the high-order derivatives of the desired trajectory for each UAV are estimated by using an observer; the Lyapunov redesign is developed to deal with the nonlinearities of the translational dynamics of the quadrotors; the hyperbolic tangent-based bounded control with composite nonlinear feedback is developed in order to improve the performance of the formation. In an additional way, a saturated switching control of the formation is investigated, where the formation topology is switching. The stability of the system is obtained by introducing the convex hull theory and the common Lyapunov function. This switching control strategy permits the change of the leaders in the formation. Inspired by some existing works, such as the anonymous neighbor-based formation control, we finally propose a weighted neighbor-based control, which shows better robustness than the anonymous neighbor-based control. Simulation results using Matlab primarily illustrate our proposed formation control strategies. Furthermore, using C++ programming, our strategies are implemented on the simulator-experiment framework, developed at Heudiasyc laboratory. Through a variety of tests on the simulator and real-time experiments, the efficiency and the advantages of our proposed formation control strategies are shown. Finally, a vision-based inter-distance detection system is developed. This system is composed by an on-board camera, infrared LEDs and an infrared filter. The idea is to detect the UAVs and calculate the inter-distance by calculating the area of the special LEDs patterns. This algorithm is validated on a PC, with a webcam and primarily implemented on a real quadrotor.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2016COMP2259 |
| Date | 10 February 2016 |
| Creators | Hou, Zhicheng |
| Contributors | Compiègne, Fantoni-Coichot, Isabelle |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
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