Conception d'Autopilotes pour les Robots Aériens Convertibles – DACAR

Les drones, véhicules aériens sans pilote à bord, sont devenus des outils très utiles pour réaliser des tâches de surveillance ou d'inspection. Parmi les différentes missions rencontrées, certaines nécessitent seulement de voler à faible vitesse dans un espace de vol restreint. Les drones à voilure tournante, type quadricoptère, constituent alors une solution idéale. D'autres missions nécessitent de parcourir de longues distances ou de rester en l'air longtemps. Les drones à voilure fixe sont alors privilégiés en raison de leur bonne efficacité énergétique. Parfois, la mission nécessite à la fois de voler stationnairement, et de parcourir de longues distances. Les applications de ce type sont nombreuses: surveillance de zones étendues à partir d'une zone de décollage restreinte (bateau, terrain naturel, environnement encombré, etc), inspection de structures éloignées de la zone de décollage/atterrissage, etc. Les drones adaptés à ces applications combinent voilures tournantes et voilures fixes, avec divers agencements possibles. De façon générique, tous les drones de ce type seront désignés dans la suite comme drones "convertibles". Ce projet concerne plus précisément les "mini-drones convertibles" (MDCs), dont la masse maximale au décollage ne dépasse pas 30kg (selon la classification d'UVS international).

L'objectif du projet est le développement d'autopilotes pour les MDCs, permettant d'allier robustesse du vol et efficacité énergétique. Plusieurs problèmes doivent être résolus:
_ Les MDCs sont des systèmes redondants, puisque les voilures tournantes (hélices) et fixes (ailes, surfaces de contrôle) peuvent contribuer aux mêmes fonctions de vol. A faible vitesse, le contrôle est celui des voilures tournantes. En vol de croisière, on peut souvent assimiler le drone à un avion et se baser sur les techniques de commande associées. Pour les vitesses intermédiaires, e.g., pendant les transitions basse-vitesse/vol de croisière, d'autres méthodes sont nécessaires. Le contrôle de ces vitesses intermédiaires constitue un problème majeur pour les MDCs.
_ En raison de la redondance d'actionnement, plusieurs combinaisons de contrôle sont possibles, avec des niveaux d'efficacité énergétique divers. Garantir la meilleure efficacité possible dans toutes les phases de vol est essentiel pour l'intérêt pratique de ces systèmes.
_ Les MDCs peuvent être soumis à des variations fortes et rapides des efforts aérodynamiques sur l'engin, liées à la présence de voilures fixes. C'est notamment le cas lors des transitions basse-vitesse/vol de croisière, en présence de rafales de vent, ou lors de maneuvres agressives. De ce fait, assurer une grande enveloppe de vol est nécessaire pour garantir la sûreté du vol.
_ Obtenir un modèle de dynamique du vol valide dans une large enveloppe de vol est difficile en raison de la complexité de l'aérodynamique de ces engins: fortes variations du nombre de Reynolds, grands angles d'attaque, interactions ailes/hélices, etc.

Pour toutes ces raisons, la conception d'un autopilote pour un MDC reste une tâche très difficile. L'objectif du projet est de fournir des solutions à ce problème. Le projet repose sur deux pilliers: des techniques de commande et d'estimation avancées, et de nombreux essais en vol. D'un point de vue théorique, le projet s'appuiera sur la synthèse de contrôleurs et estimateurs non-linéaires. Un problème crucial à résoudre concerne l'estimation en temps réel des efforts aérodynamiques subis par l'engin. D'un point de vue expérimental, un aspect essentiel est de pouvoir collecter le plus de données de vol possible, en vue de la modélisation et de l'évaluation des stratégies de commande/estimation développées. Ceci justifie le développement de drones prototypes avec des capacités sensorielles dédiées. De ce fait, une part importante du projet concerne le développement et l'instrumentation de plateformes de vol.