Contributions to Tight Formation Flight Control of Small UAS
Contributions au vol en formation serrée de petits drones
Résumé
Electrically driven mini drones are likely to have lower endurance than larger drones, mainly due to the limited aerodynamic efficiency of small, low elongation wings. The limited storage capacity of the on-board batteries on the mini-drones also reduces total endurance. The exploitation of aerodynamic interactions, inspired by migratory birds, as well as in-flight refuelling, are promising approaches to improve the endurance of mini-drones while allowing payload distribution.
In the context of conventional aircraft formation flight, it was observed that a significant reduction in the following aircraft's energy consumption could be achieved by placing it in the wake vortices of the predecessor. In our context, this implies very precise displacements of the following mini-drone whose relative position (lateral and vertical) must remain at a fraction of the size of the predecessor mini-drone. In addition, the docking procedure used for exchanging batteries between UAVs in flight involves similar or even stricter guidance performance requirements. These strong performance constraints are also accompanied by particularly high robustness requirements on the control laws due to poorly known disturbances caused by wake turbulence.
The work proposed in this thesis provides theoretical contributions aimed at enabling precise trajectory control thanks to advanced techniques based on a discrete-time predictive sliding-mode guidance scheme. On the other hand, we are also interested in advanced localization algorithms in order to feed collision avoidance strategies.
Les mini-drones à propulsion électrique sont susceptibles d’avoir une endurance inférieure à celle de drones plus grands, en raison, principalement, de l’efficacité aérodynamique limitée des petites ailes de faible allongement. La capacité de stockage limitée des batteries embarquables sur les mini-drones réduit également l’endurance totale. L’exploitation des interactions aérodynamiques, inspirée par les oiseaux migratoires, ainsi que le ravitaillement en vol , sont des approches prometteuses pour améliorer l’endurance des mini-drones tout en permettant une distribution de la charge utile.
Dans le contexte du vol en formation classique des avions, on a observé qu’une réduction significative de la consommation d’énergie de l’avion suiveur peut être obtenue dès lors qu’il se place dans les tourbillons de sillage du prédécesseur. Dans notre contexte, cela implique des déplacements très précis du mini-drone suiveur dont la position relative (latérale et verticale) doit rester à une fraction d’envergure du mini-drone prédécesseur. Par ailleurs, la procédure d’amarrage utilisée dans l’échange de batteries entre drones en vol implique des exigences de performance de guidage similaires, voire plus strictes. Ces fortes contraintes de performance s’accompagnent en outre d’exigences de robustesse particulièrement élevées sur les lois de commande en raison des perturbations mal connues induites par les turbulences de sillage.
Les travaux proposés dans cette thèse apportent des contributions théoriques visant à permettre un contrôle précis ds trajectoires grâce à des techniques avancées fondées sur un schéma de guidage prédictif discret par modes glissants. On s'intéresse d'autre part à des algorithmes avancés de localisation permettant de caractériser des régions de confiance garanties de la position des membres d'une formation afin d'alimenter des stratégies d'évitement de collisions.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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