Conception Et Contrôle D'un Quadrotor

TELLI, Khaled (2024) Conception Et Contrôle D'un Quadrotor. Doctoral thesis, Faculté des sciences et technologie.

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Abstract

RESUME : Au cours des dernières années, les véhicules aériens sans pilote (UAV) ont suscité un intérêt considérable et trouvé de nombreuses applications dans divers domaines, notamment la défense civile, la livraison commerciale, les loisirs et l'agriculture. La présente étude vise à fournir une exploration complète du développement systématique des quadricoptères, étayée par une enquête expérimentale approfondie. La recherche commence par une analyse détaillée des aspects méthodologiques impliqués dans le développement des quadricoptères. Elle éclaire notre approche en ingénierie, qui privilégie des principes de conception robustes et pose les bases d'une plateforme de recherche de quadricoptères open-source. Ensuite, cette thèse examine les techniques de dimensionnement des quadricoptères, mettant en évidence l'influence substantielle de la taille sur la sélection des composants optimaux. Une technique de regroupement basée sur les données est discutée de manière exhaustive et mise en œuvre dans le processus de sélection des composants du quadricoptère. De plus, ce travail aborde les aspects de la calibration et du filtrage des capteurs. Il englobe les procédures de calibration pour l'unité de mesure inertielle (IMU) et le capteur de boussole, ainsi que la mise en œuvre de techniques de filtrage des signaux des capteurs, en mettant particulièrement l'accent sur la technique de filtrage complémentaire. En outre, l'étude plonge dans l'analyse des vibrations, utilisant des techniques de transformée de Fourier rapide (FFT) pour parvenir à un équilibrage moteur-hélice et une réduction du bruit. L'identification de la dynamique du quadricoptère est examinée méticuleusement à travers des approches en boîte blanche, grise et noire, conduisant à une compréhension approfondie de la dynamique du système. Enfin, la thèse explore la conception de la commande en tirant parti du modèle identifié pour concevoir un contrôleur efficace. Dans l'ensemble, cette recherche offre des aperçus sur la conception et le contrôle des systèmes de quadricoptères, proposant une méthodologie complète dans le but de constituer une ressource précieuse pour les futurs efforts de recherche et développement dans ce domaine en évolution rapide. ABSTRACT : In recent years, Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have attracted considerable interest and found numerous applications in various fields, including civil defence, commercial delivery, recreation, and agriculture. The present study aims to provide a comprehensive exploration of systematic quadrotor development, substantiated by an extensive experimental investigation. The research commences by conducting a detailed analysis of the methodological aspects involved in quadrotor development. It elucidates our engineering approach, which prioritizes robust design principles and lays the foundation for an open-source quadrotor research platform. Subsequently, this thesis reviews quadrotor sizing techniques, highlighting the substantial influence of size on the selection of optimal components. A data-driven clustering technique is exhaustively discussed and implemented in the quadrotor components selection process. In addition, this work addresses aspects of sensor calibration and filtering. It encompasses the calibration procedures for the Inertial Measurement Unit (IMU) and Compass sensor, along with the implementation of sensor signals filtering techniques, with a specific emphasis on the complementary filter technique. Furthermore, the study delves into vibration analysis, utilizing Fast Fourier Transform (FFT) techniques to achieve motor-propeller balancing and noise reduction. Quadrotor dynamics identification is meticulously investigated through white, grey and black-box approaches, leading to a comprehensive understanding of the system dynamics. Finally, the thesis explores control design by leveraging the identified model to design an efficient controller. Overall, this research provides insights into the design and control of quadrotor systems, offering a comprehensive methodology with the aim to be a valuable resource for future research and development endeavours in this rapidly evolving field.

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