Estimation de l’attitude et commande bornée en attitude d’un corps rigide : application à un mini-hélicoptère à quatre rotors
Institution:
Université Joseph Fourier (Grenoble)Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
This thesis work deals with the attitude estimation and the bounded attitude stabilisation of a rigid body. The application on the four-rotor helicopter was the support to analyze the contributions of our approaches. The first part of this work is devoted to the description and the modelling of the four-rotor helicopter. The second part of this work deals with the problem of the attitude estimation of a rigid body equipped with a GAM sensors module (rate gyros, accelerometers and magnetometers). A nonlinear observer is proposed in order to fuse all the information sources. It is shown then that the observer is robust towards noise and perturbation of the rate gyro measurements. The stability, convergence and robustness are confirmed in simulation and in a real-time application. The last part of this work presents the global stabilization of a rigid body by means of a bounded quaternion-based feedback. Ln addition to input bounds, the nonlinear control takes into account the slew rate limits. The proposed control scheme is generic and can be applied to all systems falling in the framework of rigid bodies. Furthermore, its extreme simplicity rendering it suitable for embedded implementation. Because of the controllaw is model- independent, it is robust towards inertial matrix uncertainty. It is also shown that the control strategy can be applied to attitude stabilization of a four¬rotor mini-helicopter. Several real-time experiments have been performed on a real mini-helicopter in order to show the effectiveness of the DToDosed control aDDToach tOl!ether with the DToDosed non linear observer.
Abstract FR:
Ce travail de thèse porte sur l'estimation de l'attitude et la commande bornée en attitude d'un corps rigide. L'application« mini hélicoptère à quatre rotors» a été le support pour analyser les apports de nos approches. La première partie de cette thèse est consacrée à la description et la modélisation de 1 'hélicoptère à quatre rotors. Dans la deuxième partie, nous abordons le problème de l'estimation de l'attitude d'un corps rigide doté d'un ensemble de capteurs GAM (gyromètres, accéléromètres et magnétomètres). Nous proposons un observateur non linéaire afin de fusionner les différents types de mesures. Ensuite, nous montrons que l'observateur est robuste par rapport aux bruits et à des perturbations dans les mesures gyroscopiques. Une validation avec des données simulées et une implantation en temps réel montrent la capacité et les performances de l'approche proposée. Dans la dernière partie de ce travail nous établissons une loi de commande bornée pour la stabilisation globale en attitude d'un corps rigide. Dans le schéma proposé l'attitude est paramétrisée par le quaternion et la loi de commande est basée sur des fonctions de saturation imbriquées. En plus, la loi de commande permet de respecter des contraintes liées à la vitesse angulaire et la stabilité du système en boucle fermée est indépendante des paramètres inertiels du système. La caractéristique principale de l'approche proposée est son extrême simplicité. Ce résultat est ensuite étendu du corps rigide à 1 'hélicoptère à quatre rotors. Finalement, la loi de commande et l'observateur non linéaire sont implantés en temps réel et la stabilisation en attitude de 1 'hélicoptère est réalisée.