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Mod lisation et contr le du vol d un microdrone ailes battantes

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Mod lisation et contr le du vol d un microdrone ailes battantes

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Presentation Transcript


    1. Modlisation et contrle du vol dun microdrone ailes battantes

    2. Page 2 Plan Introduction : contexte et positionnement de ltude Dveloppement du modle de simulation OSCAB Optimisation des cinmatiques Commande en boucle ferme Conclusion et perspectives

    3. Page 3 Plan Introduction : contexte et positionnement de ltude Dveloppement du modle de simulation OSCAB Optimisation des cinmatiques Commande en boucle ferme Conclusion et perspectives

    4. Page 4 Dfinition et contexte Microdrone Engin volant autonome, dune envergure infrieure ou gale 15 cm, conu pour lobservation et la reconnaissance

    5. Page 5 Positionnement de ltude

    6. Page 6 Plan Introduction : contexte et positionnement de ltude Dveloppement du modle de simulation OSCAB Optimisation des cinmatiques Commande en boucle ferme Conclusion et perspectives

    7. Page 7 Choix du type de modlisation Deux approches possibles de modlisation :

    8. Page 8 Modle de simulation OSCAB (Outil de Simulation de Concept Ailes Battantes) Entres du modle : lois de mouvement des ailes (fonctions arbitraires du temps) Sorties : position et vitesse du corps (6 ddl) Calcul local des grandeurs et efforts arodynamiques (mthode 2D par tranches) ? Ncessit de modles arodynamiques des effets spcifiques au vol battu

    9. Page 9 Weis-Fogh (1973) : mise en vidence des phnomnes arodynamiques instationnaires permettant de rsoudre le paradoxe bumblebees cant fly Dickinson et al. (1999) : montage Robofly : maquette daile dinsecte battant dans de lhuile, simulant lcoulement autour dune aile relle iso-Reynolds Travaux antrieurs sur la comprhension du vol animal

    10. Page 10 Modle de simulation OSCAB Hypothses de modlisation : Ailes rigides et de masse nulle Efforts arodynamiques ngligs sur le corps principal

    11. Page 11 Gomtrie et notations

    12. Page 12 Aperu du modle ex. : calcul 2D par tranches :

    13. Page 13 Rsultats de simulation et validation (1/3)

    14. Page 14 Rsultats de simulation et validation (2/3)

    15. Page 15 Rsultats de simulation et validation (3/3)

    16. Page 16 Modle de simulation OSCAB - Synthse Ralisation dun modle de simulation orient mcanique du vol pour un microdrone ailes battantes Recalage vis--vis de mesures exprimentales Dcomposition phnomnologique et modles arodynamiques perfectibles mais approche suffisante pour ltude de la dynamique et du contrle du vol

    17. Page 17 Plan Introduction : contexte et positionnement de ltude Dveloppement du modle de simulation OSCAB Optimisation des cinmatiques Commande en boucle ferme Conclusion et perspectives

    18. Page 18 tude en boucle ouverte Modle valid partir de cinmatiques arbitraires ou bases sur des rsultats donns par la littrature (Robofly) Manque de donnes sur la cinmatique du colibri Pas dextrapolation possible partir des rsultats obtenus sur les insectes (domaines de Reynolds diffrents)

    19. Page 19 Optimisation des cinmatiques Problme doptimisation : Dfinition dun critre Portance moyenne en vol stationnaire Trane en valeur moyenne quadratique ... Choix de paramtres optimiser Recherche dune fonction optimale f*(t) mais mthodes doptimisation fonctionnelle peu adaptes Ncessit dun paramtrage qui ne restreint pas trop lespace de recherche (? permettre la reprsentation dune grande varit de formes de signaux) Optimisation des paramtres ? Cinmatiques optimales

    20. Page 20 Reprsentation des cinmatiques (1/2) Deux mthodes envisageables pour la paramtrisation des cinmatiques :

    21. Page 21 Reprsentation des cinmatiques (2/2) Dtermination de la structure du rseau Assurer un compromis entre la complexit du rseau (? nombre de paramtres) et le nombre de fonctions reprsentables Apprentissage de cinmatiques varies de battement et de rotation par diffrentes structures de rseaux Structures minimales obtenues :

    22. Page 22 Choix de la mthode doptimisation (1/2) Difficults de convergence des mthodes classiques (gradient, SQP) ? Prsence doptima locaux

    23. Page 23 Choix de la mthode doptimisation (2/2) Utilisation de mthodes heuristiques pour saffranchir des optima locaux Mthodes disponibles : Algorithmes gntiques Recherche alatoire adaptative Recuit simul ... Avantages : simplicit de programmation, convergence thorique garantie Inconvnients : rglage des paramtres dexploration

    24. Page 24 Rsultats doptimisation Rotation ?(t)

    25. Page 25 Rsultats doptimisation Battement ?(t)

    26. Page 26 Rsultats doptimisation Battement ?(t), critre pondr

    27. Page 27 Plan Introduction : contexte et positionnement de ltude Dveloppement du modle de simulation OSCAB Optimisation des cinmatiques Commande en boucle ferme Conclusion et perspectives

    28. Page 28 Vers une commande en boucle ferme Forte complexit du modle de simulation (non-linarits, matrices de changement de repre)

    29. Page 29 Utilisation dun modle moyen Solution originale propose : Rechercher un modle simplifi pour le calcul de la commande (modle de synthse) Assimiler les tats leur valeur moyenne sur une priode Calculer et appliquer la commande une fois par priode

    30. Page 30 Recherche de modle(s) de synthse Hypothses de simplification pour lcriture de modle(s) de synthse : Plan de battement horizontal ? ?g,d(t) = ?/2 ? t (cf. vol stationnaire insectes et colibri) Vol dans un plan de symtrie longitudinal 3 degrs de libert (vertical, tangage, horizontal) Mouvements des ailes symtriques : ?g(t) = ?d(t) ; ?g(t) = ?d(t) Mouvements supposs dcoupls ? tudes spares de la commande selon les 3 d.d.l. Une seule tranche par aile Puis application de la commande sur le modle initial complet (ncessit dune commande suffisamment robuste)

    31. Page 31 Modlisation selon laxe vertical (1/2) Choix des vecteurs dtat et de commande : tat : position et vitesses verticales

    32. Page 32 Modlisation selon laxe vertical (2/2) Application : quations de lvolution verticale

    33. Page 33 Mthode du backstepping Systmes en cascade de la forme :

    34. Page 34 Structure de la boucle ferme

    35. Page 35 Commande selon laxe vertical

    36. Page 36 Commande selon laxe de tangage (1/3)

    37. Page 37 Commande selon laxe de tangage (2/3)

    38. Page 38 Commande selon laxe de tangage (3/3)

    39. Page 39 Commande selon laxe horizontal

    40. Page 40 Autres points abords Reconstruction de la vitesse verticale laide dun observateur non linaire par modes glissants ? Intrt : substituer des capteurs matriels des capteurs logiciels Utilisation en boucle ferme des cinmatiques optimales modlises par RN Rduction du nombre de paramtres de commande pour le mouvement vertical ex. : commande en amplitude de battement (?m) seul, ou en dphasage (??) seul Difficults de convergence, du fait du non-dcouplage entre les fonctions dquilibrage du poids et de suivi de la consigne

    41. Page 41 Plan Introduction : contexte et positionnement de ltude Dveloppement du modle de simulation OSCAB Optimisation des cinmatiques Commande en boucle ferme Conclusion et perspectives

    42. Page 42 Conclusion (1/2) Dveloppement du modle de simulation OSCAB Capacit dun modle bas sur une approche locale reproduire correctement les efforts exercs sur un microdrone ailes battantes Prise en compte de reprsentations analytiques exactes de cinmatiques quelconques Avantages offerts par la structure modulaire Intrt du couplage RN/AG pour loptimisation des cinmatiques Confirmation de rsultats exprimentaux sur linfluence du dphasage de la rotation Faible nombre de paramtres Gain de portance totale

    43. Page 43 Conclusion (2/2) Ralisation dune commande en boucle ferme Utilisation dune commande non linaire Commande calcule partir dun modle moyen discret Bonnes performances sur les plans dynamique (rapidit) et statique (prcision)

    44. Page 44 Perspectives et travaux futurs Modlisation Recalage des modles arodynamiques partir des mesures exprimentales dans le cadre de REMANTA Introduction de la dformation des ailes et des effets arolastiques associs Optimisation des cinmatiques Approche multicritre Commande en boucle ferme Approches multimodles pour le contrle selon les 6 degrs de libert Modle hybride bote grise, associant RN pour la modlisation des phnomnes mal connus (effets aro) et modles de connaissances (quations mcaniques)

    45. Page 45 Questions

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