Conception, Modlisation Et Commande DUnDrone Convertible Quatre Hlices Pivotantes

Navigation Autonome DUn Mini-Drone Par Vision Embarque

Gerardo FLORES

Directeurs de thse : Rogelio LOZANO

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Introduction

Il y a des missions dont la porte dpasse les capacits des dronesconventionnelles car ils ncessitent non seulement la vitesse dun avion, maisaussi de vol stationnaire.

l La surveillance des objectifs en mouvement rapide et statique.

l Identification des fissures dans les canalisations ou les ponts.

l Les fournitures mdicales.

FIGURE : Le ELBIT SKYLARK et le CV-22.

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IntroductionQuad-plane

Le vhicule combine les capacits du vol haute vitesse dun avion classiqueavec les capacits dun hlicoptre en vol stationnaire grce au pivotement desrotors.

FIGURE : Modes dopration du Quad-plane.

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Sujets abordsLes questions abordes au cours de la thse

l Obtenir le modle de vhicule et de proposer un contrleur pour le modehlicoptre et le mode avion.

l tudier la dynamique du vhicule en utilisant la thorie des perturbationssingulires, galement, dvelopper une loi de commande laide de cettethorie.

l On tudiera la phase transitoire du drone. A savoir, la ralisation de loi decommande

l Dvelopper un systme complet de drone convertible avec la possibilitdeffectuer une tche spcifique en utilisant la transition du vol.

l Estimer la position du drone en utilisant la vision.

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Plan

l Introduction

l Objectifs de la thse

l Enonc du problme

l Estimation dtat pour le drone

l Calcul dtats lorsque la route nest pas dtect

l Stratgie de Commande

l Plate-forme Exprimentale

l Expriences en temps rel

l Conclusions

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Motivation

Comment pouvons-nous effectuer une mission de suivi deroute ?En utilisant la combinaison de capteurs dimage, daltitude et dinertie.

Faire face des situations o il y a des dfaillances dans le capteur dimage.Changer entre diffrentes contrleurs.

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Plan de la prsentation

l Introduction

l Objectifs de la thse

l Enonc du problme

l Estimation dtat pour le drone

l Calcul dtats lorsque la route nest pas dtect

l Stratgie de Commande

l Plate-forme Exprimentale

l Expriences en temps rel

l Conclusions

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Enonc de problme

Schma de lexprience Des capteursCapteur dinertie, capteur dultrasons,camra.

Navigation bas sur la visionDcollage autonome : altitude zd .Estimation de langle de lacet .La distance ey est maintenu petit.La vitesse davance x constante.Atterrissage autonome.

ObjectifSuivre une route sans connaissance priori sur celle-ci.Robuste aux perturbations externes cest dire lorsque limage de la route esttemporairement perdue.

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Plan de la prsentation

l Introduction

l Objectifs de la thse

l Enonc du problme

l Estimation dtat pour le drone

l Calcul dtats lorsque la route nest pas dtect

l Stratgie de Commande

l Plate-forme Exprimentale

l Expriences en temps rel

l Conclusions

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Estimation dtat pour le drone

Dtection de route sur la base de la mthode de transformede Hough

x iI = xg + ( sin()) ; y iI = yg + cos() (1)x iF = xg ( sin()) ; y iF = yg cos() (2)

Des lignes pour une reprsentation unique(xI =

x iIi, yI =

y iIi

);

(xF =

x iFi, yF =

y iFi

)(3)

Calcul dangle de lacet

r = arctan (yF yI , xF xI) (4)

d = r +

2(5)

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Estimation dtat pour le drone

Calcul de la position latrale

ecx =(

xI xF2

+ xF

) cw

2(6)

cw : largeur de limage (en pixels). Position latrale du drone par rapport laroute :

ey = zecxx

(7)

Vitesses de translationAlgorithme de flot optique : Le mthode de Lucas-Kanade combine avec ledtecteur de rgion Harris.

OFx = VOFx + Kx VOFz + ROFx zVOFxx

= x (8)

OFy = VOFy + Ky VOFz + ROFy zVOFyy

= y (9)

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Plan de la prsentation

l Introduction

l Objectifs de la thse

l Enonc du problme

l Estimation dtat pour le drone

l Calcul dtats lorsque la route nest pas dtect

l Stratgie de Commande

l Plate-forme Exprimentale

l Expriences en temps rel

l Conclusions

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Calcul dangle de lacet et de la position latrale lorsque laroute nest pas dtect

Mesures bases sur le systme de visionSi la route nest pas sur le champ de vision (FOV) : lestimation nest paspossible.

Il faut dfinir un signal binaire s : [0,) {0, 1}

s(t) :={

0 pas de dtection de ligne linstant t1 la camra dtecte la ligne linstant t

(10)

la commutation entre deux modes, destin calculer les etats du vhicule.

Des vnements temporelsTs0 : le temps lorsque le signal binaire passes de 1 0.Ts1 : le temps lorsque le signal binaire passes de 0 1.

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Calcul dangle de lacet et de la position latrale lorsque laroute nest pas dtect

Calcul dangle de lacet en utilisant la signal de commutations(t)

s(t) = s(t)d (t) + (1 s(t))IMU(Ts0) (11)

d (t) : angle de lacet mesur par le systme de vision.IMU(Ts0) : angle de lacet mesur par lIMU Ts0.s(t) : angle de lacet dsir qui sera utilis dans la loi de commande.

Lquation (11) permet de commuter entrel Angle de lacet obtenue du capteur dimage.

l Angle de lacet obtenue du capteur inertielle lorsque le chemin nest pasdtect par la camra.

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Calcul dangle de lacet et de la position latrale lorsque laroute nest pas dtect

Calcul de la position latrale en utilisant la signal s(t)

eys(t) = s(t)ey (t) + (1 s(t))

(ey (Ts0) +

Ts1Ts0

y(t)d(t)

)(12)

ey (t) : obtenue partir du capteur dimage.ey (Ts0) : mesure de la position latrale linstant Ts0.y(t) : vitesse latrale obtenue partir du flot optique.

Lquation (12) permet la commutation entre :La position latrale obtenue lorsque le chemin est dtect par la camra.Approche alternative en utilisant linformation du position linstant Ts0 etlintegration de la vitesse de translation y pendant le temps dans laquelle lechemin nest pas dtect par lalgorithm de vision (le temps entre Ts0 et Ts1).

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l Introduction

l Objectifs de la thse

l Enonc du problme

l Estimation dtat pour le drone

l Calcul dtats lorsque la route nest pas dtect

l Stratgie de Commande

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l Expriences en temps rel

l Conclusions

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Le modle dynamique du drone

Le modle mathmatique normalisx = u1(cos sin cos + sin sin)y = u1(cos sin sin sin cos)z = 1 u1(cos cos ) = u2 = u3 = u4

(13)

Forme despace dtatx1 = x z1 = x2 = x z2 = x3 = y z3 = x4 = y z4 = x5 = z z5 = x6 = z z6 =

(14)

En utilisant (13) et (14)

x1 = x2 z1 = z2x2 = z1u1 z2 = u2x3 = x4 z3 = z4x4 = z3u1 z4 = u3x5 = x6 z5 = z6x6 = 1 u1 z6 = u4

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La mission de la dtection de route

Les modes de fonctionnementTake-off mode : obtenir laltitude dsire zd .y -alignment mode (y AL) : maintenir un trajet de vol aligne par rapport laroute.-alignment mode ( AL) : aligner langle de lacet par rapport la direction dela route.Navigation mode : vol davancement vitesse constante.Landing mode : le vhicule atterri de faon autonome.

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La mission de la dtection de route

Lois de commande dans chaque mode de fonctionneementLensemble du systme est constitu de deux sous-systmes, la dynamique delorientation et de la dynamique de position, avec une separation dchelles detemps entre eux.

Systme de contrle hirarchiqueLe commande de positionnement fournit les rfrences pour les anglesdorientation (d , d et d ), qui doivent tre suivis par les contrleursdorientation.La dynamique derreur xi = xi xid et zi = zi zid , avec i {1, ..., 6}.

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La mission de la dtection de route

Loi de commande pour la dynamique dorientationCommande par mode de glissement intgrale (Integral sliding mode controlISMC).Lquation derreur dangle de tangage : 1 = 1 1d .

() = 1 + 21 + 2 t

01() d (15)

1 = u2eq Ksign() (16)

o K > 0.

Loi de commande pour la dynamique de positionMouvement sur x y : Le vecteur de pousse doit tre oriente vers le sens dudplacement souhait. d et d : contrleurs virtuels pour la dynamique deposition.

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Le problme du suivi dune route

Le contrle de la position latrale dpend de la dtection de la route

1 =1u1

(kL3y1 kL4y2 + kLI) (17)

o = y1d y1 = y1. Soit ey = (yd1 , yd2 , )T , le systme en boucle ferme :

yd1 = yd2yd2 = kL3yd1 kL4yd2 kLI = yd1

(18)

La route est dtecte - lesgains rgls se comportercomme PD commandeNous avons crit (18) commeey = ALey o

AL =

0 1 0kL3 kL4 kLI1 0 0

La route nest pas dtecte- les gains rgls secomporter comme PINous avons crit (18) commeey = ANLey o

ANL =

0 1 0kNL3 kNL4 kNLI1 0 0

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l Stratgie de Commande

l Plate-forme Exprimentale

l Expriences en temps rel

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Plate-forme Exprimentale

Le drone Quad-Plane

Dimension : 40 cm.Poids : 1.1 kg.Autonomie : 15 min.Carte de contrle IGEPv2.Microstrain R IMU : 100 HzSRF10 : altitude 2 m.

Systme de visionembarqu : DSP 100 Hz.PlayStation R Eye camera.OpenCV :Dtecteur de rgion Harris.Pyramidal Lucas-Kanade,Dtecteur de ligne de Hough.

Station au solWireless link.GUI pour contrler et commander ledrone.Mode de contrle manuel :PlayStation R 3 joystick,BlueToothTM.

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l Expriences en temps rel

l Conclusions

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Expriences en temps rel

Suivi de trajectoireMission autonome, modle de route ayant deux courbes lisses, et en prsencede perturbations extrieures.

Expriences Chemin 3D

01

23

45

6

0

1

2

3

0.25

0.5

0.75

y [m]

x [m]

z[m

]

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Expriences en temps rel

Position et les angles dEuler

0 5 10 15 20 25 30 35 400

5

10

time [s]

x[m

]

0 5 10 15 20 25 30 35 401

0

1

time [s]

y[m

]

0 5 10 15 20 25 30 35 400

0.5

1

time [s]

z[m

]

0 5 10 15 20 25 30 35 40

10

0

10

time [s]

[d

eg]

0 5 10 15 20 25 30 35 40

10

0

10

time [s]

[d

eg]

0 5 10 15 20 25 30 35 40

0

20

40

60

80

time [s]

[d

eg]

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Expriences en temps rel

Signaux de commutation

0 5 10 15 20 25 30 35 4040

20

0

20

40

time[s]

d

[deg

]

0 5 10 15 20 25 30 35 400.5

0

0.5

1

1.5

time[s]

s

0 5 10 15 20 25 30 35 401

0

1

time[s]

e ys

[m]

24.5 25 25.5 26 26.5 27 27.50.5

0

0.5

1

1.5

time[s]

s24.5 25 25.5 26 26.5 27 27.5

1

0.5

0

0.5

1

time[s]

e ys

[m]

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l Stratgie de Commande

l Plate-forme Exprimentale

l Expriences en temps rel

l Conclusions

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Conclusions

Navigation autonome par vision embarqueLestimation et le suivi dune route, sans connaissance apriori de la route.Faire face des instants lorsque la route nest pas dtect par le systme devision.

Contrleur hirarchiqueCommandes de positionnement fournir des rfrences pour les contrleurs delattitude.

Stratgie de commutation

tats : en combinassion de capteurs dimage et capteurs inertielles.Commande : afin de stabiliser la position latrale du drone.

Les travaux futursFaire des expriences sur une route relle. Faire lalgorithme de vision robusteaux changements dclairage

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Publications

Chapitres de livreL1 GERARDO FLORES, J. Guerrero, J. Escareo and Rogelio Lozano. "Modeling and Control of mini UAV", in Flight formation control, edited by J.

Guerrero and Rogelio Lozano, John Wiley and Sons, 2012.

RevuesJ1 GERARDO FLORES, J. Escareo, R. Lozano and S. Salazar. "Quad-Tilting Rotor Convertible MAV : Modeling and Real-Time Hover Flight Control",

Journal of Intelligent and Robotic Systems, vol. 65, no. 1-4, p. 457-471, 2012.J2 L. Garca, GERARDO FLORES, G. Sanahuja and R. Lozano, "Quad Rotorcraft Switching Control : An Application for the Task of Path Following", IEEE

Transactions on Control Systems Technology, 2012, under revision.J3 J. Balderas, GERARDO FLORES, L. Garcia and R. Lozano, "Tracking a Ground Moving Target with a Quadrotor Using Switching Control", Journal of

Intelligent and Robotic Systems, DOI : 10.1007/s10846-012-9747-9, 2012.

Confrences InternationalesC1 GERARDO FLORES, J. Escareo, S. Salazar and R. Lozano, "Quad-Tilting Rotor Convertible MAV : Modeling and Real-time Hover Flight Control",

International Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS11), May 24-27, 2011, Denver, Colorado, USA.C2 J. Balderas, GERARDO FLORES, L. Garcia and R. Lozano, "Tracking a Ground Moving Target with a Quadrotor Using Switching Control", International

Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS12), Jun 12-15, 2012, Philadelphia, PA.C3 L. Garca, GERARDO FLORES, G. Sanahuja and R. Lozano, "Quad-Rotor Switching Control : An Application for the Task of Path Following", in Proc.

IEEE American Control Conference (ACC12), Montral, Canada, Jun. 2012, pp. 4637-4642.C4 GERARDO FLORES, L. Garca, G. Sanahuja and R. Lozano, "PID Switching Control for a Highway Estimation and Tracking Applied on a Convertible

Mini-UAV", in Proc. IEEE Conference on Decision and Control (CDC12), Maui, HI, USA, Dec. 2012, to be published.C5 GERARDO FLORES and R. Lozano, "Transition Flight Control of the Quad-Tilting Rotor Convertible MAV ", in Proc. IEEE American Control Conference

(ACC13), Washington, DC, Jun. 2013, under revision.C6 GERARDO FLORES and R. Lozano, "Lyapunov-based Controller using Singular Perturbation Theory : An Application on a mini-UAV", in Proc. IEEE

American Control Conference (ACC13), Washington, DC, Jun. 2013, under revision.C7 GERARDO FLORES, J. Escareo and R. Lozano, "Quadrotor MAV Having 1DOF Manipulator : Rotational Modeling and Switching-based Control ", in

Proc. IEEE American Control Conference (ACC13), Washington, DC, Jun. 2013, under revision.C8 GERARDO FLORES, G. Sanahuja and R. Lozano, "Lyapunov-Based Switching Control for a Road Estimation and Tracking Applied on a Convertible

MAV ", in Proc. IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA13), Kongresszentrum Karlsruhe, Karlsruhe, Germany, May. 2013,under revision.

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Merci

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